CN111273205B - 一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置。包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接。本发明采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，以单个独立传感表头实现三维空间磁场的高精度测绘；利用激光的偏振状态调制，用一束激光实现碱金属原子电子自旋极化和进动状态探测，同时以光调制手段取代磁场调制，有效减少磁场干扰，减小系统重量和体积；本发明结构简单，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置。
背景技术
碱金属原子最外层只有一个电子，电子自旋在外磁场作用下会以特定频率绕磁场方向进动，进动频率的大小仅与原子种类和磁场幅值有关。利用碱金属原子最外层电子自旋的进动性质可以构成原子磁力仪，实现对磁场的高灵敏测量，在军事侦察、矿产勘测、生物磁场探测等领域均有着重要的应用潜力。光与原子的相互作用是原子磁力仪中的重要过程：一方面碱金属原子对入射光子的吸收使大部分碱金属原子最外层电子具有相同的初始自旋指向，大量微观原子的电子自旋表现为宏观的非零自旋极化；另一方面，碱金属原子电子自旋在磁场作用下的进动会影响原子对入射光的吸收，据此可以通过透射出原子介质的光功率变化反映碱金属原子电子自旋的进动频率，得到原子所处位置磁场的幅值。由于左旋圆偏振光子与右旋圆偏振光子携带的角动量方向相反，碱金属原子电子自旋吸收左旋圆偏振光子与吸收右旋圆偏振光子后自旋极化方向相反。因此周期性调制入射光的左右旋偏振状态可以实现碱金属原子电子自旋极化的周期性调制。
本发明根据磁场环境中光与碱金属原子的相互作用，提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，采用偏振调制的单束激光作为光源，同时实现碱金属原子电子自旋的极化和进动检测；采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，实现三维空间磁场的高精度测绘。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，以紧凑结构实现空间磁场的高分辨率、高灵敏度测绘。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；
所述传感表头包括原子气室、光电探测阵列和无磁线性平移台，原子气室、光电探测阵列沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台与原子气室、光电探测阵列固连在一起，用于改变原子气室、光电探测阵列沿光传播方向上的位置。
优选地，所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器、激光器、二分之一波片、偏振分光镜和偏振调制元件；所述激光器用于向原子气室发射激光，所述偏振分光镜用于将激光器发射的激光分为主光束和参考光束，所述二分之一波片用于调整主光束和参考光束的光功率，所述激光控制器设置在参考光束光路上并用于实现对激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振调制元件用于对主光束的偏振状态进行周期性调制。
优选地，所述光束放大单元包括扩束镜、平面反射镜、四分之一波片和球面反射镜组；经偏振调制元件周期性调制的主光束依次经过扩束镜、平面反射镜、四分之一波片和球面反射镜组；所述扩束镜和球面反射镜组用于扩大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片用于将线偏振激光转化为圆偏振状态。
优选地，所述球面反射镜组包括沿着光传播方向依次设置的第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜；所述平面反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜的反射方向均可单独调节，使激光覆盖原子气室。
优选地，所述原子气室为密闭透光气室，原子气室内充有碱金属原子蒸汽、氢气和氮气。
优选地，所述原子气室为扁平长方体气室，气室最大端面与气室内激光传播方向垂直设置。
优选地，所述光电探测阵列设置在主光束光路上，用于将光信号转化为电压信号。
优选地，所述温度控制模块包括设置在原子气室上的无磁温度传感器、围绕传感表头设置的电加热片以及温度控制器，所述温度控制器接收来自无磁温度传感器的温度信号并向电加热片发出对应的温度控制信号。
优选地，所述信号分析控制模块包含偏振调制控制器、数模/模数转换电路和数据处理服务器；所述偏振调制控制器输出端与偏振调制元件相连，用于产生偏振调制驱动信号；所述数模/模数转换电路的模数转换输入端与光电探测阵列输出端连接，所述数模/模数转换电路的数模转换输出端与偏振调制控制器输入端连接；所述数据处理服务器通过数模/模数转换电路与光电探测阵列、偏振调制控制器分别连接，并用于接收来自光电探测阵列的电压信号进行磁场信号解算且发出对应的偏振控制信号。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、本发明采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，能够以单个独立传感表头实现三维空间磁场的高精度测绘。
(2)、本发明利用激光的偏振状态调制可以用一束激光实现碱金属原子电子自旋极化和进动状态探测，同时以光调制手段取代磁场调制，能够有效减少磁场干扰，减小系统重量和体积。
(3)、本发明通过设置方位可调的第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜，可实现对激光行进路线和光束直径的调整，使得本发明构造的三维空间磁场测绘装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室，实现对磁场的高分辨率、高灵敏度测量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1中交变偏振调制信号与激光偏振状态调控结果示意图；
其中：101、激光控制器，102、激光器，103、二分之一波片，104、偏振分光镜，105、偏振调制元件，106、扩束镜，107、平面反射镜，108、四分之一波片，109、第一球面反射镜，110、第二球面反射镜，111、第三球面反射镜；201、原子气室，202、光电探测阵列，203、无磁线性平移台；301、无磁温度传感器，302、温度控制器，303、电加热片；401、偏振调制控制器，402、数模/模数转换电路，403、数据处理服务器；A、主光束，B、参考光束。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1(图中箭头为激光经过方向或信号传输方向)，
一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；
所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器101、激光器102、二分之一波片103、偏振分光镜104和偏振调制元件105；所述激光器102用于向原子气室201发射激光，所述偏振分光镜104用于将激光器102发射的激光分为主光束A和参考光束B，所述二分之一波片103用于调整主光束A和参考光束B的光功率，所述激光控制器101设置在参考光束B光路上并用于实现对激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振调制元件105在偏振调制控制器401作用下对主光束A的偏振状态进行周期性调制。本实施例中，偏振调制元件105为偏振调制器。
所述光束放大单元包括扩束镜106、平面反射镜107、四分之一波片108和球面反射镜组；经偏振调制元件105周期性调制的主光束依次经过扩束镜106、平面反射镜107、四分之一波片108和球面反射镜组；所述扩束镜106和球面反射镜组用于扩大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片108用于将线偏振激光转化为圆偏振状态。
本实施例中，所述球面反射镜组包括沿着光传播方向依次设置的第一球面反射镜109、第二球面反射镜110和第三球面反射镜111；所述平面反射镜107、第一球面反射镜109、第二球面反射镜110和第三球面反射镜111的反射方向均可单独调节，使激光覆盖原子气室。
所述传感表头包括原子气室201、光电探测阵列202和无磁线性平移台203，原子气室201、光电探测阵列202沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台203与原子气室201、光电探测阵列202固连在一起，用于改变原子气室201、光电探测阵列202沿光传播方向上的位置。
所述原子气室201为密闭透光气室，原子气室内充有碱金属原子蒸汽、氢气和氮气。所述原子气室201为扁平长方体气室，气室最大端面与气室内激光传播方向垂直设置。所述光电探测阵列202设置在主光束A光路上，用于将光信号转化为电压信号。
所述温度控制模块包括设置在原子气室上的无磁温度传感器301、围绕传感表头设置的电加热片303以及温度控制器302，所述温度控制器302接收来自无磁温度传感器301的温度信号并向电加热片303发出对应的温度控制信号。温度控制模块使得原子气室内得碱金属原子一直处于气体状态。
所述信号分析控制模块包含偏振调制控制器401、数模/模数转换电路402和数据处理服务器403；所述偏振调制控制器401输出端与偏振调制元件105相连，用于产生偏振调制驱动信号；所述数模/模数转换电路402的模数转换输入端与光电探测阵列202输出端连接，所述数模/模数转换电路402的数模转换输出端与偏振调制控制器401输入端连接；所述数据处理服务器403通过数模/模数转换电路402与光电探测阵列202、偏振调制控制器401分别连接，并用于接收来自光电探测阵列202的电压信号进行磁场信号解算且发出对应的偏振控制信号。
在本实施例中，所述数据处理服务器403与数模/模数转换电路之间402、所述数模/模数转换电路402与偏振调制控制器401之间、所述数模/模数转换电路402与光电探测阵列202之间、所述偏振调制控制器401与偏振调制元件105之间、所述无磁温度传感器301与温度控制器302之间、所述电加热片303与温度控制器302之间通过数据传输线连接。所述数据处理服务器403为计算机。
本实施例中一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其工作过程如下：
(1)按照激光经过顺序以及设备间连接关系将基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置组装好；
(2)所述激光器102射出的激光经过二分之一波片103和偏振分光镜104分为主光束A和参考光束B，其中参考光束B反馈给激光控制器101，所述激光控制器101向激光器102发出调控信号，主光束A经过偏振调制元件105、扩束镜106、平面反射镜107、四分之一波片108后，由线偏振激光转化为圆偏振激光，然后经过第一球面反射镜109、第二球面反射镜110和第三球面反射镜111再次扩束，辐照整个原子气室201，从原子气室201射出的激光被光电探测阵列202接收，将光信号转化为电压信号；
(3)所述无磁线性平移台203与原子气室201、光电探测阵列202固连在一起，根据光线传播路径，将光电探测阵列202上测量单元接收的光信号与该部分光线穿过的原子气室区域做映射，调整无磁线性平移台203使原子气室201位于沿光传播方向上的起始位置；
(4)所述数据处理服务器403通过数模/模数转换电路402向偏振调制控制器401输出交变偏振调制信号，驱动偏振调制元件，使入射原子气室的激光呈现周期性的左旋/右旋圆偏振调制，扫描交变偏振调制信号频率。
(5)所述数据处理服务器403通过数模/模数转换电路402接收光电探测阵列202输出信号，记录不同交变偏振调制信号频率时，光电探测阵列202上各测量单元输出电压信号频率，解算磁场信号，对应于原子气室相应区域磁场幅值。
(6)通过无磁线性平移台203改变原子气室201的位置，重复步骤(4)和(5)。
(7)此外，所述温度控制器302接收来自无磁温度传感器301的温度信号并向电加热片303发出对应的温度控制信号。
图2是本实施例中交变偏振调制信号与激光偏振状态调控结果示意图；图中，Ⅰ为偏振调制控制器401向偏振调制元件105输出的交变偏振调制信号，Ⅱ为主光束A通过偏振调制元件105后的偏振状态，Ⅲ为主光束A通过四分之一波片108后的偏振状态。
本发明采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，以单个独立传感表头实现三维空间磁场的高精度测绘；利用激光的偏振状态调制，用一束激光实现碱金属原子电子自旋极化和进动状态探测，同时以光调制手段取代磁场调制，有效减少磁场干扰，减小系统重量和体积；本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；
所述传感表头包括原子气室(201)、光电探测阵列(202)和无磁线性平移台(203)，原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台(203)与原子气室(201)、光电探测阵列(202)固连在一起，用于改变原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿光传播方向上的位置；
所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器(101)、激光器(102)、二分之一波片(103)、偏振分光镜(104)和偏振调制元件(105)；所述激光器(102)用于向原子气室(201)发射激光，所述偏振分光镜(104)用于将激光器(102)发射的激光分为主光束(A)和参考光束(B)，所述二分之一波片(103)用于调整主光束(A)和参考光束(B)的光功率，所述激光控制器(101)设置在参考光束(B)光路上并用于实现对激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振调制元件(105)用于对主光束(A)的偏振状态进行周期性调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述光束放大单元包括扩束镜(106)、平面反射镜(107)、四分之一波片(108)和球面反射镜组；经偏振调制元件(105)周期性调制的主光束依次经过扩束镜(106)、平面反射镜(107)、四分之一波片(108)和球面反射镜组；所述扩束镜(106)和球面反射镜组用于扩大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片(108)用于将线偏振激光转化为圆偏振状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述球面反射镜组包括沿着光传播方向依次设置的第一球面反射镜(109)、第二球面反射镜(110)和第三球面反射镜(111)；所述平面反射镜(107)、第一球面反射镜(109)、第二球面反射镜(110)和第三球面反射镜(111)的反射方向均可单独调节，使激光覆盖原子气室。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述原子气室(201)为密闭透光气室，原子气室内充有碱金属原子蒸汽、氢气和氮气。
5.根据权利要求4所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述原子气室(201)为扁平长方体气室，气室最大端面与气室内激光传播方向垂直设置。
6.根据权利要求5所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述光电探测阵列(202)设置在主光束(A)光路上，用于将光信号转化为电压信号。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述温度控制模块包括设置在原子气室上的无磁温度传感器(301)、围绕传感表头设置的电加热片(303)以及温度控制器(302)，所述温度控制器(302)接收来自无磁温度传感器(301)的温度信号并向电加热片(303)发出对应的温度控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述信号分析控制模块包含偏振调制控制器(401)、数模/模数转换电路(402)和数据处理服务器(403)；
所述偏振调制控制器(401)输出端与偏振调制元件(105)相连，用于产生偏振调制驱动信号；
所述数模/模数转换电路(402)的模数转换输入端与光电探测阵列(202)输出端连接，所述数模/模数转换电路(402)的数模转换输出端与偏振调制控制器(401)输入端连接；
所述数据处理服务器(403)通过数模/模数转换电路(402)与光电探测阵列(202)、偏振调制控制器(401)分别连接，并用于接收来自光电探测阵列(202)的电压信号进行磁场信号解算且发出对应的偏振控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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