CN111337864B - 一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置，包括信号分析控制模块、原子气室、用于调节原子气室内部磁场强度和温度的磁场控制模块和温度控制模块、用于向原子气室发射泵浦激光和探测激光的泵浦光路模块和探测光路模块，探测激光通过沃拉斯顿棱镜分为两个探测光束，每个探测光束以垂直泵浦激光的光路穿过原子气室后依次经过聚焦透镜、1/2波片和沃拉斯顿棱镜，再次二分后被对应的平衡探测器接收，信号分析控制模块采集温度和两个平衡探测器的信号，解算分析后向磁场及温度控制模块发出对应的控制信号。本发明通过使探测激光沿不同路径通过原子气室，有效消除探测光的频率游走、功率扰动以及光噪声对测量结果的影响，提高磁信号检测准确率及灵敏度。

Description

一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别地，涉及一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置。

背景技术

磁场受介质、温度、湿度等因素的影响较小，高灵敏度磁场测量装置在基础科学、生物医疗、空间科学、矿藏勘探、安保防爆等领域具有广阔的应用前景。根据不同的探测原理，磁场探测装置分为磁通门、超导磁力仪、原子磁力仪等多种类型，其中原子磁力仪是目前已被证明的灵敏度最高的磁场测量手段。

原子磁力仪的工作原理为：由于原子自旋具有磁矩，可在外磁场中以特定的频率绕磁场方向进动，且进动频率与磁场幅值成正比，因此原子磁力仪可通过激光读出原子自旋磁矩的进动频率，进而得到原子所处环境的磁场数据。

光泵浦原子磁力仪通过激光与碱金属原子的相互作用，使系综中大部分碱金属原子的最外层电子处于特定的能级状态，此过程也被称为原子自旋的极化。极化的原子自旋在外磁场环境中发生进动时，可利用线偏振激光产生的法拉第旋转角测得碱金属原子自旋的进动频率，最终得到待测磁场的强度数据。

光泵浦原子磁力仪具有磁场测量动态范围广、测量灵敏度高的优点，且结构简单，易于小型化，因而受到业内广泛关注。但在现有技术中，线偏振激光产生的法拉第旋转角不仅受到原子自旋进动的调制，还会受到探测激光本身的影响，具体为探测激光的频率游走、功率扰动以及光噪声等均会严重干扰原子磁力仪的测量结果及灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可消除探测激光本身对碱金属原子自旋进动频率造成干扰的技术方案，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；

所述原子气室为密闭的透光气室且内部封装有碱金属原子蒸气、氢气和氮气，所述磁场控制模块和温度控制模块用于调节原子气室内部的磁场强度和温度，所述泵浦光路模块用于向原子气室发射泵浦激光；

所述探测光路模块包括沿激光出射方向依次设置的探测激光器、第二1/2波片、第二偏振分光镜、第三扩束镜、第三1/2波片和第一沃拉斯顿棱镜，探测激光通过所述第二偏振分光镜分为探测主光束和探测参考光束，在所述探测参考光束的光路上设有探测激光控制器，所述探测激光控制器反馈信号至探测激光器，所述探测主光束通过第三1/2波片和第一沃拉斯顿棱镜分为光功率相等的第一探测光束和第二探测光束，所述第一探测光束穿过原子气室后依次经过第一聚焦透镜、第四1/2波片和第二沃拉斯顿棱镜后再次分为两束光功率相等的探测激光并被第一平衡探测器接收，所述第二探测光束穿过原子气室后依次经过第二聚焦透镜、第五1/2波片和第三沃拉斯顿棱镜后再次分为两束光功率相等的探测激光并被第二平衡探测器接收；

所述信号分析控制模块用于采集温度信号以及第一平衡探测器和第二平衡探测器的信号，解算分析后向所述磁场控制模块和温度控制模块发出对应控制信号。

优选地，所述探测光路模块还包括设置在第一沃拉斯顿棱镜和原子气室之间的第二反射镜、第三反射镜，所述第二反射镜设置在第一探测光束的光路上并用于调整第一探测光束射入原子气室的方向，所述第三反射镜设置在第二探测光束的光路上并用于调整第二探测光束射入原子气室的方向。

优选地，在所述原子气室内，第一探测光束和第二探测光束的光路均与泵浦激光的光路垂直设置。

优选地，所述第一探测光束和第二探测光束的光程相等。

优选地，所述泵浦光路模块包括沿激光出射方向依次设置的泵浦激光器、第一1/2波片、第一偏振分光镜、第一扩束镜和1/4波片，泵浦激光通过所述第一偏振分光镜分为泵浦主光束和泵浦参考光束，在所述泵浦参考光束的光路上设有泵浦激光控制器，所述泵浦激光控制器反馈信号至泵浦激光器，所述泵浦主光束射入原子气室内。

优选地，所述泵浦光路模块还包括设置在第一扩束镜和1/4波片之间的第一反射镜，用于实现光路紧凑。

优选地，所述泵浦光路模块还包括设置第一反射镜和1/4波片之间的第二扩束镜，用于实现泵浦激光扩束后辐照整个原子气室。

优选地，所述磁场控制模块包括围绕原子气室设置的磁场线圈以及用于控制所述磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源。

优选地，所述温度控制模块包括围绕原子气室设置的电加热片、用于控制所述电加热片加热电流的加热驱动源以及无磁温度传感器。

优选地，所述无磁温度传感器置于原子气室外部，且在不影响光传播的位置紧贴原子气室放置。

优选地，所述信号分析控制模块包括差分电路、数模/模数转换电路和数据处理服务器，所述差分电路与第一平衡探测器和第二平衡探测器的信号输出端连接，并用于对采集到的两个输出信号做差分运算，所述数据处理服务器通过数模/模数转换电路分别与差分电路、磁场驱动源、无磁温度传感器和加热驱动源连接，所述数据处理服务器通过对差分运算结果进行解算得到原子自旋感受到的磁场强度，并向磁场驱动源发出对应的磁场控制信号，通过分析来自无磁温度传感器的温度信号向加热驱动源发出对应的温度控制信号。

本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本发明在现有结构的基础上引入了差动平衡探测结构，具体体现在首先利用第一沃拉斯顿棱镜将探测激光分为光功率相等的两束且分别沿不同路径穿过原子气室，由于激光功率会对信号产生影响，而通过设置两束光信号配合后续差分运算能够消除共模干扰，然后又利用第二、第三沃拉斯顿棱镜与平衡探测器搭配使用，可实现对探测激光线偏振方向变化的检测，对应的平衡探测器接收探测激光的偏振旋转信号后通过差分电路进行解算，进而实现对磁场强度的检测，上述过程可有效克服局部磁场、温度梯度、光泵浦梯度对测量结果的影响，同时消除探测光的频率游走、功率扰动以及光噪声对测量结果的影响，进而提高磁信号检测的准确性及灵敏度。

2、本发明结构简单，操作方便，通过设置方位可调的第二反射镜和第三反射镜实现对探测激光在原子气室内光路的调整，使得本发明中的差动平衡探测结构可适用于不同类型的原子气室，可移植性好，实用性强。

3、本发明通过施加光泵浦手段使原子气室内的大量原子处于相同的状态，此时原子自旋获得相同的指向，可有效提高光泵浦原子磁探测装置的提高信号强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1中差动平衡光泵浦原子磁探测装置的结构示意图；

图中：101泵浦激光控制器，102泵浦激光器，103第一1/2波片，104第一偏振分光镜，105第一扩束镜，106第一反射镜，107第二扩束镜，108 1/4波片；201探测激光控制器，202探测激光器，203第二1/2波片，204第二偏振分光镜，205第三扩束镜，206第三1/2波片，207第一沃拉斯顿棱镜，208第二反射镜，209第三反射镜，210a第一聚焦透镜，211a第四1/2波片，212a第二沃拉斯顿棱镜，213a第一平衡探测器，210b第二聚焦透镜，211b第五1/2波片，212b第三沃拉斯顿棱镜，213b第二平衡探测器；3原子气室，401磁场驱动源，402磁场线圈，501加热驱动源，502电加热片，503无磁温度传感器，601差分电路，602数模/模数转换电路，603数据处理服务器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

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)，一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室3、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块。

所述原子气室3为密闭的透光气室且内部封装有碱金属原子蒸气、氢气和氮气。

所述泵浦光路模块包括沿激光出射方向依次设置的泵浦激光器102、第一1/2波片103、第一偏振分光镜104、第一扩束镜105、第一反射镜106、第二扩束镜107和1/4波片108。所述泵浦激光器102用于产生泵浦激光，所述第一偏振分光镜104用于将泵浦激光分为泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B，所述第一1/2波片103用于调整泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B的光功率，在所述泵浦参考光束1B的光路上设有泵浦激光控制器101，所述泵浦激光控制器101反馈信号至泵浦激光器102并用于实现对泵浦激光频率及功率的选择和及稳定，所述第一扩束镜105用于扩大泵浦主光束1A的光斑尺寸，所述第一反射镜106用于调整泵浦主光束1A的路径并实现光路紧凑，所述第二扩束镜107用于实现泵浦主光束1A扩束后辐照整个原子气室，所述1/4波片108用于调整泵浦主光束1A的偏振状态，所述泵浦主光束1A由线偏振激光转化为圆偏振激光后射入原子气室3内。

所述探测光路模块包括沿激光出射方向依次设置的探测激光器202、第二1/2波片203、第二偏振分光镜204、第三扩束镜205、第三1/2波片206和第一沃拉斯顿棱镜207。所述探测激光器202用于产生探测激光，所述第二偏振分光镜204用于将探测激光分为探测主光束2A和探测参考光束2B，所述第二1/2波片203用于调整探测主光束2A和探测参考光束2B的光功率，在所述探测参考光束2B的光路上设有探测激光控制器201，所述探测激光控制器201反馈信号至探测激光器202并用于实现对探测激光频率及功率的选择和及稳定，所述第三扩束镜205用于扩大探测主光束2A的光斑尺寸，所述第三1/2波片206和第一沃拉斯顿棱镜207用于将探测主光束2A分为光功率相等的第一探测光束2C和第二探测光束2D。

所述第一探测光束2C通过第二反射镜208射入原子气室3内，穿出后依次经过第一聚焦透镜210a、第四1/2波片211a和第二沃拉斯顿棱镜212a，被再次分为两束光功率相等的探测激光后被第一平衡探测器213a接收，以检测第一探测光束2C偏振方向的变化；同样，所述第二探测光束2D通过第三反射镜209射入原子气室3内，穿出后依次经过第二聚焦透镜210b、第五1/2波片211b和第三沃拉斯顿棱镜212b，被再次分为两束光功率相等的探测激光后被第二平衡探测器213b接收，以检测第二探测光束2D偏振方向的变化。

在本实施例中，所述第二反射镜208和第三反射镜209的反射角度均可单独调节，使第一探测光束2C和第二探测光束2D可分别沿不同的路径通过原子气室3。

在本实施例中，在所述原子气室3内，第一探测光束2C和第二探测光束2D的光路均与泵浦主光束1A的光路垂直设置，且所述第一探测光束2C和第二探测光束2D的光程相等。

所述磁场控制模块包括围绕原子气室3设置的磁场线圈402及用于控制所述磁场线圈402产生磁场强度的磁场驱动源401。通过所述磁场线圈402实现对碱金属原子的外部环境磁场屏蔽以及功能磁场施加，所述功能磁场的施加过程即为产生光泵浦原子磁力仪所需的交变激励磁场，磁场的交变频率等于原子自旋在探测磁场作用下的自旋进动频率。

在本实施例中，所述磁场线圈402具体为三维亥姆霍兹磁场线圈。

所述温度控制模块包括无磁温度传感器503、围绕原子气室3设置的电加热片502、以及用于控制所述电加热片502的加热电流的加热驱动源501。所述无磁温度传感器503置于原子气室3的外部，且在不影响光传播的位置紧贴原子气室外壁放置。

所述信号分析控制模块包括差分电路601、数模/模数转换电路602和数据处理服务器603。所述差分电路601与第一平衡探测器213a和第二平衡探测器213b的信号输出端连接，并用于对采集到的两个输出信号做差分运算；所述数模/模数转换电路602的模数转换输入端与无磁温度传感器503的输出端、差分电路601的输出端分别连接，数模转换输出端与磁场驱动源401的输入端、加热驱动源501的输入端分别连接，所述数据处理服务器603与数模/模数转换电路602的模数转换输出端、数模转换输入端分别连接。

所述数据处理服务器603通过接收来自差分电路601的运算结果并进行磁场信号解算，得到原子自旋感受到的磁场强度，进而向磁场驱动源401发出对应的磁场控制信号，同时还通过接收并分析来自无磁温度传感器503的温度测量信号向加热驱动源501发出对应的温度控制信号。

在本实施例中，所述数据处理服务器603与数模/模数转换电路602之间、所述数模/模数转换电路602与差分电路601之间、所述数模/模数转换电路602与磁场驱动源401之间、所述数模/模数转换电路602与无磁温度传感器503之间、所述数模/模数转换电路602与加热驱动源501之间通过数据传输线连接。所述数据处理服务器603为计算机。

上述差动平衡光泵浦原子磁探测装置的工作过程如下：

1)按照激光经过顺序以及各设备间的位置连接关系将装置组装好；

2)所述泵浦激光器102射出的泵浦激光经过第一1/2波片103和第一偏振分光镜104后被分为泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B，其中泵浦参考光束1B反馈给泵浦激光控制器101，所述泵浦激光控制器101向泵浦激光器102发出调控信号，而泵浦主光束1A则经过第一扩束镜105、第一反射镜106、第二扩束镜107和1/4波片108后由线偏振激光转化为圆偏振激光并辐照整个原子气室3；

3)所述探测激光器202射出的探测激光经过第二1/2波片203和第二偏振分光镜204后被分为探测主光束2A和探测参考光束2B，其中探测参考光束2B反馈给探测激光控制器201，所述探测激光控制器201向探测激光器202发出调控信号，而探测主光束2A则经过第三扩束镜205、第三1/2波片206和第一沃拉斯顿棱镜207分为第一探测光束2C和第二探测光束2D，调整第三1/2波片206的光轴使第一探测光束2C和第二探测光束2D的光功率相等；

4)调整第二反射镜208的反射方向，使第一探测光束2C依次经过第二反射镜208、原子气室3、第一聚焦透镜210a、第四1/2波片211a、第二沃拉斯顿棱镜212a后被第一平衡探测器213a接收，将光信号转化为电压信号，调整第三反射镜209的反射方向，使第二探测光束2D依次经过第三反射镜209、原子气室3、第二聚焦透镜210b、第五1/2波片211b、第三沃拉斯顿棱镜212b后被第二平衡探测器213b接收，将光信号转化为电压信号；

5)所述差分电路601对来自第一平衡探测器213a和第二平衡探测器213b的电压信号做差分运算，运算结果通过数模/模数转换器602输入数据处理服务器603进行磁场信号解算，通过电压信号的变化频率得到原子自旋的进动频率，进而得到原子自旋感受到的磁场强度大小，实现本发明装置对磁场的高灵敏度探测；

6)所述数据处理服务器603还输出磁场控制信号给磁场驱动源401，产生光泵浦原子磁力仪所需的交变激励磁场，同时，所述数据处理服务器603还接收来自无磁温度传感器503的温度测量信号并向加热驱动源501发出对应的温度控制信号。

本发明在现有结构的基础上引入了差动平衡探测结构，具体体现在利用第一沃拉斯顿棱镜引入两束功率相等的光路，由于激光功率会对信号产生影响，而两束光信号通过差分运算能够消除共模干扰，然后又利用第二、第三沃拉斯顿棱镜与对应的平衡探测器搭配使用，可实现对探测激光线偏振方向变化的检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，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。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室(3)、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；

所述原子气室(3)为密闭的透光气室且内部封装有碱金属原子蒸气、氢气和氮气，所述磁场控制模块和温度控制模块用于调节原子气室(3)内部的磁场强度和温度，所述泵浦光路模块用于向原子气室(3)发射泵浦激光；

所述探测光路模块包括沿激光出射方向依次设置的探测激光器(202)、第二1/2波片(203)、第二偏振分光镜(204)、第三扩束镜(205)、第三1/2波片(206)和第一沃拉斯顿棱镜(207)，探测激光通过所述第二偏振分光镜(204)分为探测主光束和探测参考光束，在所述探测参考光束的光路上设有探测激光控制器(201)，所述探测激光控制器(201)反馈信号至探测激光器(202)，所述探测主光束通过第三1/2波片(206)和第一沃拉斯顿棱镜(207)分为光功率相等的第一探测光束和第二探测光束，所述第一探测光束穿过原子气室(3)后依次经过第一聚焦透镜(210a)、第四1/2波片(211a)和第二沃拉斯顿棱镜(212a)后再次分为两束光功率相等的探测激光并被第一平衡探测器(213a)接收，所述第二探测光束穿过原子气室(3)后依次经过第二聚焦透镜(210b)、第五1/2波片(211b)和第三沃拉斯顿棱镜(212b)后再次分为两束光功率相等的探测激光并被第二平衡探测器(213b)接收；

所述信号分析控制模块用于采集温度信号以及第一平衡探测器(213a)和第二平衡探测器(213b)的信号，解算分析后向所述磁场控制模块和温度控制模块发出对应控制信号。

2.根据权利要求1所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述探测光路模块还包括设置在第一沃拉斯顿棱镜(207)和原子气室(3)之间的第二反射镜(208)、第三反射镜(209)，所述第二反射镜(208)设置在第一探测光束的光路上并用于调整第一探测光束射入原子气室(3)的方向，所述第三反射镜(209)设置在第二探测光束的光路上并用于调整第二探测光束射入原子气室(3)的方向。

3.根据权利要求2所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，在所述原子气室(3)内，第一探测光束和第二探测光束的光路均与泵浦激光的光路垂直设置。

4.根据权利要求3所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述第一探测光束和第二探测光束的光程相等。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述泵浦光路模块包括沿激光出射方向依次设置的泵浦激光器(102)、第一1/2波片(103)、第一偏振分光镜(104)、第一扩束镜(105)和1/4波片(108)，泵浦激光通过所述第一偏振分光镜(104)分为泵浦主光束和泵浦参考光束，在所述泵浦参考光束的光路上设有泵浦激光控制器(101)，所述泵浦激光控制器(101)反馈信号至泵浦激光器(102)，所述泵浦主光束射入原子气室(3)内。

6.根据权利要求5所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述泵浦光路模块还包括设置在第一扩束镜(105)和1/4波片(108)之间的第一反射镜(106)，用于实现光路紧凑。

7.根据权利要求6所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述泵浦光路模块还包括设置第一反射镜(106)和1/4波片(108)之间的第二扩束镜(107)，用于实现泵浦激光扩束后辐照整个原子气室。

8.根据权利要求5所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述磁场控制模块包括围绕原子气室(3)设置的磁场线圈(402)以及用于控制所述磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源(401)。

9.根据权利要求8所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述温度控制模块包括围绕原子气室(3)设置的电加热片(502)、用于控制所述电加热片加热电流的加热驱动源(501)以及无磁温度传感器(503)。

10.根据权利要求9所述的差动平衡光泵浦原子磁探测装置，其特征在于，所述信号分析控制模块包括差分电路(601)、数模/模数转换电路(602)和数据处理服务器(603)，所述差分电路(601)与第一平衡探测器(213a)和第二平衡探测器(213b)的信号输出端连接，并用于对采集到的两个输出信号做差分运算，所述数据处理服务器(603)通过数模/模数转换电路(602)分别与差分电路(601)、磁场驱动源(401)、无磁温度传感器(503)和加热驱动源(501)连接，所述数据处理服务器通过对差分运算结果进行解算得到原子自旋感受到的磁场强度，并向磁场驱动源(401)发出对应的磁场控制信号，通过分析来自无磁温度传感器(503)的温度信号向加热驱动源(501)发出对应的温度控制信号。

Images