CN110988759A - 一种全向磁光光泵磁力仪 - Google Patents

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邵思霈
任文冠
宋晓林
史钰峰
时洪宇
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Abstract

本发明涉及一种全向磁光光泵磁力仪，包括依次设置的光源、准直系统、原子气室、聚焦透镜和光电探测器；还包括设置于准直系统与原子气室之间的偏振旋转器，所述偏转旋转器实现对光束偏振方向的旋转；包裹在所述原子气室的外部的两对射频线圈，所述两对射频线圈相交；射入原子气室的光束在原子气室与射频线圈的磁场的作用下，发生光泵和磁共振作用，形成磁共振信号；信号检测与控制电路，所述信号检测与控制电路将光电探测器的光信号转换成反馈信号输送至射频线圈和偏振旋转器。本发明的有益效果是提高磁力仪的探测性能，解决探测盲区等问题，提升了磁光光泵磁力仪在运动平台上的应用效能。

Description

一种全向磁光光泵磁力仪
技术领域
本发明属于测磁技术领域，尤其涉及一种全向磁光光泵磁力仪。
背景技术
光泵磁力仪是一种基于塞曼效应、光泵作用及磁共振等量子光学效应的弱磁传感器，具有灵敏度高、精度高、温漂小等特点，广泛应用于空间测磁、地磁测绘、导航、通信、目标探测及人体磁场探测等领域。
根据磁共振机理的不同，光泵磁力仪可以分为全光光泵磁力仪和磁光双共振光泵磁力仪，本发明主要针对磁光双共振光泵磁力仪(以下简称磁光光泵磁力仪)，即通过激光泵浦和射频磁场共同获取磁共振信号。
由于光泵磁力仪工作原理的限制，激光偏振方向、射频磁场方向和被测磁场方向三者必须满足一定的夹角关系时才能获得最佳的磁共振信号，传统磁光光泵磁力仪探头和被测磁场的夹角在某些角度时，磁共振信号减弱甚至完全消失，出现转向差、探测性能降低、甚至无法正常工作(即存在探测盲区)，这使得磁光光泵磁力仪在运动平台上应用时存在一定的局限性，因此解决上述性能下降和探测盲区问题，对于提升磁光光泵磁力仪在运动平台上的应用效能意义重大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全向磁光光泵磁力仪，目的是提高磁力仪的探测性能，解决探测盲区等问题，提升了磁光光泵磁力仪在运动平台上的应用效能。
本发明的技术方案为：
一种全向磁光光泵磁力仪，包括依次设置的光源、准直系统、原子气室、聚焦透镜和光电探测器；所述光源通过空间光或光纤传输至准直系统；所述准直系统将光束整形成平行光；所述聚焦透镜将原子气室射出的光聚焦后，经所述光电探测器探测并转换成光信号；所述原子气室的外部包裹两对射频线圈，所述两对射频线圈相交；射入原子气室的光束在原子气室与射频线圈的磁场的作用下，发生光泵和磁共振作用，形成磁共振信号；所述准直系统与原子气室之间设有偏振旋转器；所述偏转旋转器实现对光束偏振方向的旋转；信号检测与控制电路，将光电探测器的光信号转换成反馈信号输送至射频线圈和偏振旋转器。
与现有技术相比，本发明在原子气室周围放置两对射频线圈提供射频磁场，通过调节两对线圈的电流可以旋转合成的射频磁场，使之与被测磁场保持一定夹角；通过放置偏振旋转器，使光的偏振方向与被测磁场保持在可探测角度内(如垂直或水平)，从而实现全向测磁；通过信号检测与控制电路，控制两对射频磁场的频率和大小，使射频频率始终处于磁共振点处。
基于上述方案，本发明还做出了如下改进：
进一步地，所述偏振旋转器为光学旋转，包括依次设置的起偏器、液晶相位延迟器、四分之一波片；或者所述偏振旋转器为机械旋转，包括四分之一波片、起偏器、无磁电机。本技术改进中，光学旋转的偏振旋转器，剩磁控制方便，体积小，通过改变液晶驱动电压可实现不同角度的偏振角度旋转，响应速度快；但不局限于上述结构的光学偏振旋转器；此外机械旋转的偏振旋转器也可实现本方案。进一步地，所述准直系统后设有衰减片，所述衰减片将准直系统调整后的光进行光强调整。本技术改进中，衰减片用于调整光强，若光纤始终，可不设置衰减片。
进一步地，所述两对射频线圈正交。本技术方案中，两对射频线圈正交，便于实现对射频磁场的旋转控制。
本技术方案的有益效果是解决了传统的磁光光泵磁力仪存在转向差、探测性能随被测磁场方向变化、探测盲区等问题，提升了磁光光泵磁力仪在运动平台上的应用效能。
附图说明
图1为本发明的原理框图
图2为原子气室组件的截面图
图3为偏振旋转器示例1；
图4为偏振旋转器示例2。
1、光源，2、准直系统，3、衰减片，4、偏振旋转器，5、原子气室，6、第一射频线圈，7、第二射频线圈，8、聚焦透镜，9、光电探测器，10、信号检测与控制电路，11、起偏器，12、液晶相位延迟器，13、四分之一波片，14、无磁电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。
一种全向磁光光泵磁力仪依次包括：光源、准直系统、衰减片、偏振旋转器、原子气室组件(含一个原子气室、两对射频线圈)、聚焦透镜、光电探测器、信号检测与控制电路。
光源1一般为激光光源，如半导体激光器及其温控和驱动电源，波长与原子气室工作元素及能级相对应，应保持准确和稳定，一般应具有专门的稳频系统。
准直系统2对光源1发出的激光进行整形和准直，光束一般为平行光、直径与气室口径相适应。
衰减片3对光束光强进行一定调节，一般在mW以下。
偏振旋转器4优先选用基于液晶的光学旋转方案，如图3所示，剩磁控制方便，体积小，通过改变液晶驱动电压可实现不同角度的偏振角度旋转，响应速度快；此外，偏振旋转器可以为机械旋转，包括四分之一波片13、起偏器11、无磁电机14，如图4所述。
原子气室5内充满工作元素，对于He-4必须激发到所需的工作能级，对于碱金属则需要加热到合适的工作温度；
第一射频线圈6和第二射频线圈7优选为正交放置，方便合成磁场的旋转控制；
聚焦透镜8满足普通光学设计，与光束直径相匹配；
光电探测器9应与激光波长匹配，转化效率越高越好；
信号检测与控制电路10具备信号调理、调制-解调、PID控制模块，实现对磁共振误差信号的反馈控制功能；信号检测与控制电路根据所获取的信号形成反馈控制信号，分别施加到偏振旋转器和射频线圈上，分别控制光的偏振方向和两对射频磁场的频率和大小，使射频频率始终处于磁共振点处、且光的偏振方向和合成的射频磁场方向始终处于可探测角度，从而实现全向测磁。
工作原理：
光源1发出的激光经准直系统2和衰减片3后，得到光强、光束适中的平行光，进入偏振旋转器4内的起偏器11，变为线偏振光，然后进入液晶和四分之一波片，通过液晶驱动信号的幅度可调节线偏振光的偏振角度，偏振方向可调的激光进入原子气室5，同时第一射频线圈6和第二射频线圈7产生方向可调的射频磁场，在被测磁场的作用下，在原子气室内发生光泵和磁共振作用，在激光上形成磁共振信号，经聚焦透镜，被光电探测器9探测到并转化为电信号，信号检测与控制电路10利用锁相放大器解调得到两路误差信号，一路用于跟踪射频磁场频率，从而实现磁场大小的探测；一路用于跟踪偏振方向和射频磁场方向，使被测磁场始终处于可探测角度，从而实现全向测试。

Claims (4)

1.一种全向磁光光泵磁力仪，包括依次设置的光源、准直系统、原子气室、聚焦透镜和光电探测器；所述光源通过空间光或光纤传输至准直系统；所述准直系统将光束整形成平行光；所述聚焦透镜将原子气室射出的光聚焦后，经所述光电探测器探测并转换成光信号；其特征在于：还包括设置于准直系统与原子气室之间的偏振旋转器，所述偏转旋转器实现对光束偏振方向的旋转；
包裹在所述原子气室的外部的两对射频线圈，所述两对射频线圈相交；射入原子气室的光束在原子气室与射频线圈的磁场的作用下，发生光泵和磁共振作用，形成磁共振信号；
信号检测与控制电路，所述信号检测与控制电路将光电探测器的光信号转换成反馈信号输送至射频线圈和偏振旋转器。
2.根据权利要求1所述的全向磁光光泵磁力仪，其特征在于：所述偏振旋转器为光学旋转，包括依次设置的起偏器、液晶相位延迟器、四分之一波片；或者所述偏振旋转器为机械旋转，包括四分之一波片、起偏器、无磁电机。
3.根据权利要求1所述的全向磁光光泵磁力仪，其特征在于：所述准直系统后设有衰减片，所述衰减片将准直系统调整后的光进行光强调整。
4.根据权利要求1所述的全向磁光光泵磁力仪，其特征在于：所述两对射频线圈正交。
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