CN111398873A - 可用于矢量探测的原子磁力仪探头 - Google Patents

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毕佳宇
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Abstract

可用于矢量探测的原子磁力仪探头，涉及原子磁力仪技术领域。本发明是为了解决的问题。本发明中光源产生的激光经过所述光路元件变成圆偏振光，进入原子气室中与铯原子相互作用，形成含有磁共振信息的光信号。射频线圈用于产生磁共振所需的射频场。三维线圈用于产生测量磁场三分量时所需的不同频率的三维交变磁场。光电探测器将含有磁共振信息的光信号转换成电信号传递给信号处理电路。本发明突破了原子磁力仪只能用于磁场标量测量的限制，实现了对磁场的矢量测量。

Description

可用于矢量探测的原子磁力仪探头
技术领域
本发明属于原子磁力仪技术领域。
背景技术
随着潜艇隐身技术的发展，单一的声纳定位手段已经无法满足当今反潜要求。磁异常探测(MAD)技术作为有效的非声探测手段广泛应用于航空潜艇探测及反潜技术领域。磁异常探潜系统的探测距离主要依赖于高灵敏度磁力仪的性能提升，由此引发国际上对高灵敏度原子磁力仪的研究。
目前，国内外研制的高灵敏度原子磁力仪均为标量形式，仅能测量目标产生的磁场大小，发现探测目标是否存在，但无法对目标的具体位置进行探测并做出判断，导致高灵敏度原子磁力仪实用性不高。因此，可用于矢量磁场探测的高灵敏度原子磁力仪成为了国内外的研发重点。这其中，原子磁力仪探头是原子磁力仪能够进行矢量磁场探测技术的基础，是原子磁力仪的关键部件。
发明内容
本发明是为了解决现有高灵敏度原子磁力仪无法对目标的具体位置进行探测并做出判断的问题，现提供可用于矢量探测的原子磁力仪探头。
可用于矢量探测的原子磁力仪探头，包括：光源、光路元件、原子气室、磁场发生装置和光电探测器，所述光路元件包括准直透镜和四分之一波片；
原子气室为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子，
磁场发生装置用于在原子气室周围产生射频场和三维交变磁场，
光源发出的半导体激光依次通过准直透镜准直和四分之一波片转变为圆偏振光，该圆偏振光透过原子气室获得含有磁共振信息的光信号，该光信号入射至光电探测器的光敏面上。
上述磁场发生装置包括射频线圈和三维线圈，射频线圈缠绕在原子气室外部、并用于产生磁共振用射频场，三维线圈缠绕在射频线圈外部、并用于产生三维交变磁场。
上述三维线圈为三维亥姆赫兹线圈，包括三组线圈，每组线圈的中轴两两相互垂直，每组线圈包括两个相互平行正对设置的圆形线圈，两个圆形线圈上所通电流方向相同。
上述射频线圈和三维线圈的材料均为无氧铜，三维线圈中每个圆形线圈的直径为70mm，匝数为10。
上述光源为波长为894nm的VCSEL半导体激光器。
上述光电探测器的型号为GT101。
上述还包括聚焦镜片，从原子气室透射出的含有磁共振信息的光信号通过聚焦镜片聚焦到光电探测器的光敏面上。
本发明所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头由光源、光路元件、原子气室、射频线圈、三维线圈和光电探测器组成。所述光源产生的激光经过所述光路元件变成圆偏振光，进入所述原子气室中与铯原子相互作用，形成含有磁共振信息的光信号。所述射频线圈用于产生磁共振所需的射频场。所述三维线圈用于产生测量磁场三分量时所需的不同频率的三维交变磁场。所述光电探测器将含有磁共振信息的光信号转换成电信号传递给信号处理电路。进而就能够通过计算磁场总场对所述三维线圈产生的三个交变磁场信号的响应情况，结合交变磁场的实际大小，实现对磁场三分量的间接测量。
本发明突破了原子磁力仪只能用于磁场标量测量的限制，实现了对磁场的矢量测量。
附图说明
图1为本发明所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头的原理图；
图2为含有可用于矢量探测的原子磁力仪探头的原子磁力仪的原理图；
图3为本发明所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头的机械结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，包括：光源4、光路元件5、原子气室6、磁场发生装置、聚焦镜片12和光电探测器9，所述光路元件5包括准直透镜10和四分之一波片11，所述磁场发生装置包括射频线圈7和三维线圈8；
原子气室6为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子。
射频线圈7缠绕在原子气室6外部、并用于产生磁共振用射频场，三维线圈8缠绕在射频线圈7外部线圈骨架上、并用于产生测量磁场三分量时所需要的不同频率的三维交变磁场，完成对原子气室6周围磁场的调制。
光源4发出的半导体激光依次通过准直透镜10准直和四分之一波片11转变为圆偏振光，该圆偏振光透过原子气室6获得含有磁共振信息的光信号，从原子气室6透射出的含有磁共振信息的光信号通过聚焦镜片12聚焦到光电探测器9的光敏面上，光电探测器9将采集的光信号转换成电信号。
进一步的，射频线圈7和三维线圈8的材料均为无氧铜，三维线圈8的直径为70mm，每一维度线圈的匝数均为10。
进一步的，光源4为波长为894nm的VCSEL半导体激光器。
进一步的，光电探测器9的型号为GT101。
本实施方式的原理如下：
光源4发出半导体激光，半导体激光经过准直透镜10进行光束准直，再由四分之一波片11转变成圆偏振光，之后进入原子气室6并与原子气室6内的铯原子相互作用。射频线圈7用于产生磁共振所需要的射频场；三维线圈8用于产生测量磁场三分量时所需要的不同频率的三维交变磁场。在三维交变磁场的作用下，通过原子气室6的圆偏振光变成含有磁共振信息的光信号，光电探测器9将含有磁共振信息的光信号转换成电信号。
实际应用时，原子气室6的固定支架采用塑料材料制作，放置在三维亥姆霍兹线圈内部；在原子气室6外部缠绕着射频线圈7。对各部分结构材料进行筛选，剔除磁性材料，选择聚碳酸脂、ABS塑料等材料进行封装结构加工，保障整体结构无磁特性，保证各小型化结构部件的精确对准。通过对装置的光纤接口及电连接器设计，实现原子磁传感器装置与磁力仪激光调制、信号解调等部分的接口对接。
本实施方式能够解决原子磁力仪只能用于标量探测，判断目标物是否存在，无法判断目标物所在方位的问题。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是含有上述具体实施方式一所述的原子磁力仪探头的原子磁力仪，包括原子磁力仪探头1、信号处理电路2和数据采集电路3；
光电探测器9将含有磁共振信息的光信号转换成电信号传递给信号处理电路2，信号处理电路2对磁共振信号进行锁相放大，并根据磁共振信号控制射频信号频率，从而实现对磁场总场和在X、Y、Z三个方向分量的测量。
由于原子磁力仪的矢量探测需要在原子气室6周围创造一个可控标准均匀磁场，以尽可能保证磁场有较大的均匀区域。本实施方式采用三维亥姆赫兹线圈，即三维线圈8对原子气室6周围的磁场进行调制。三维亥姆赫兹线圈在X、Y、Z三个方向上均有两个相同的彼此平行且共轴的圆形线圈，两个线圈上所通电流为同方向。当线圈间距a与线圈半径R相等时，两线圈合磁场在轴线两线圈圆心连线附近较大范围内是均匀的。
本实施方式的原理是：
通过标量探测原子磁力仪与三维线圈结合的方式，利用标量原子磁力仪对磁场总场进行标量探测，再利用置于原子磁力仪探头中的三维线圈产生三个已知大小、方向且不同频率的交变磁场信号，通过测量原子磁力仪测得的磁场总场对这三个交变磁场信号的响应情况，结合交变磁场的实际大小，计算出三个交变磁场与磁场总场之间的夹角，进而实现对磁场总场在X、Y、Z三个方向分量的间接测量。

Claims (7)

1.可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，包括：光源(4)、光路元件(5)、原子气室(6)、磁场发生装置和光电探测器(9)，所述光路元件(5)包括准直透镜(10)和四分之一波片(11)；
原子气室(6)为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子，
磁场发生装置用于在原子气室(6)周围产生射频场和三维交变磁场，
光源(4)发出的半导体激光依次通过准直透镜(10)准直和四分之一波片(11)转变为圆偏振光，该圆偏振光透过原子气室(6)获得含有磁共振信息的光信号，该光信号入射至光电探测器(9)的光敏面上。
2.根据权利要求1所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，磁场发生装置包括射频线圈(7)和三维线圈(8)，
射频线圈(7)缠绕在原子气室(6)外部、并用于产生磁共振用射频场，
三维线圈(8)缠绕在射频线圈(7)外部、并用于产生三维交变磁场。
3.根据权利要求2所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，三维线圈(8)为三维亥姆赫兹线圈，包括三组线圈，每组线圈的中轴两两相互垂直，每组线圈包括两个相互平行正对设置的圆形线圈，两个圆形线圈上所通电流方向相同。
4.根据权利要求3所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，射频线圈(7)和三维线圈(8)的材料均为无氧铜，
三维线圈(8)中每个圆形线圈的直径为70mm，匝数为10。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，光源(4)为波长为894nm的VCSEL半导体激光器。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，光电探测器(9)的型号为GT101。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的可用于矢量探测的原子磁力仪探头，其特征在于，还包括聚焦镜片(12)，从原子气室(6)透射出的含有磁共振信息的光信号通过聚焦镜片(12)聚焦到光电探测器(9)的光敏面上。
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