CN111929622A - 一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其要解决的技术问题是：克服已有磁梯度测量技术灵活性差、灵敏度低、不利于小型化等缺点，基于原子自旋效应，利用单束探测光即可实现空间磁场测量，同时装置内部具有多路平行探测光束，可同时探测空间多位置处的磁场，通过不同位置处磁场进行梯度差分，实现空间梯度磁场测量。

Description

一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置

技术领域

本发明涉及原子磁强计/梯度计技术，特别是一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置。

背景技术

随着量子技术、激光技术的不断发展，基于量子自旋系综操控的磁场测量技术发展迅速并且在各个领域有了广泛的应用，包括：深空深地磁异常探测、矿产勘探、生物极弱磁测量等领域。其中，生物极弱磁测量如心脑磁测量、肌肉磁测量、细胞测量等，具有重大研究意义。心脑磁测量具有极其重要的经济、社会、科学价值：心磁测量可帮助进行胸痛快速诊断、冠心病的早期筛查、胎儿心磁异常测量等；脑磁测量可用于难治性癫痫病灶定位、脑功能区研究，促进神经科学的发展等。心脑磁的测量手段不断进步，从早先的SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices，超导量子干涉装置)测量系统，到目前灵活方便的原子磁强计测量系统，灵活性、成本以及成像能力得到了长足进步。随着生物极弱磁测量研究的不断深入，人们开始向更宽的研究领域扩展，但受环境电磁干扰现有的单通道磁场测量技术面临测量瓶颈，无法提供准确可靠的信息。而基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量，通过梯度磁场测量技术可进一步降低环境共模噪声干扰，提高极弱磁探测能力，在灵敏度、信噪比、成像空间分辨率等方面具有较大优势，为极弱心脑磁测量提供有力的工具。已有的磁梯度测量技术通常利用SQUID原理、电磁感应原理等手段开展测量，但是存在体积大、灵活性差、探测灵敏度低的问题，不易于小型化集成，在实际使用场景中受限较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其要解决的技术问题是：克服已有磁梯度测量技术灵活性差、灵敏度低、不利于小型化等缺点，基于原子自旋效应，利用单束探测光即可实现空间磁场测量，同时装置内部具有多路平行探测光束，可同时探测空间多位置处的磁场，通过不同位置处磁场进行梯度差分，实现空间梯度磁场测量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：包括沿x轴方向从碱金属原子气室一侧穿越到另一侧的多路平行探测光束以同时探测所述碱金属原子气室中不同空间位置处的磁场，所述多路平行探测光束来自于一一对应的多个偏振分光器，所述多个偏振分光器沿z轴方向级联设置，所述多个偏振分光器中只有一个偏振分光器连接激光光源以获取单束探测光，所述多路平行探测光束出射至一一对应的多个偏振分光组合棱镜，所述多个偏振分光组合棱镜以一对一方式连接多个平衡光电探测器。

所述多路平行探测光束均为椭圆偏振光，所述激光光源发射的所述单束探测光为任意偏振态激光。

所述多路平行探测光束具有相同的光强。

所述碱金属原子气室的外围设置有无磁电加热器，所述无磁电加热器的外围设置有磁场线圈，所述磁场线圈的外部设置有磁屏蔽装置，所述多个平衡光电探测器分别连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号发生器，所述信号发生器连接所述磁场线圈。

所述信号发生器产生正弦波或方波电压信号作用于所述磁场线圈，进而对所述碱金属原子气室中的碱金属原子自旋进行调制，被调制后的原子自旋信号因受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束旋光角产生变化，反映在平衡光电探测器探测到的电流信息中，所述平衡光电探测器输出的电流信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入所述锁相放大器。

所述无磁电加热器用于对所述碱金属原子气室加热以提高气室内原子数密度，所述磁屏蔽装置用于屏蔽外部磁场，所述磁场线圈用于产生三个正交方向磁场以使气室内部磁场补偿至零磁环境，从而降低原子弛豫，所述激光光源的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁环境时，对外部磁场变化敏感，使椭圆偏振光通过碱金属原子气室的光束线偏振方向产生角度变化，即旋光角产生变化，通过旋光角大小与磁场大小成比例关系获得磁场大小信息。

所述偏振分光组合棱镜和所述平衡光电探测器对椭圆偏振光通过所述碱金属原子气室后其线偏振方向产生角度变化而形成的旋光角进行检测以得到所述碱金属原子气室中空间位置处的磁场大小信息。

利用所述平衡光电探测器检测到的旋光角得到对应的原子极化率变化，利用原子极化率变化实现对磁场分量的测量，通过多个平衡光电探测器探测到不同位置处的磁场信号，对不同平衡光电探测器的输出信号进行差分以实现多通道梯度磁场测量。

所述多个偏振分光器包括自上而下设置的第一偏振分光器、第二偏振分光器和第三偏振分光器，所述第一偏振分光器向左依次通过第一1/2波片和起偏器连接所述激光光源，所述第一偏振分光器向右依次通过第一1/4波片和第二1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧上部位置，所述碱金属原子气室的右侧上部位置连接第一偏振分光组合棱镜，所述第一偏振分光组合棱镜连接第一平衡光电探测器，所述激光光源发射的第一偏振态激光光束经过所述起偏器和所述第一1/2波片后形成线偏振光，所述线偏振光被所述第一偏振分光器分为两路，其中一路透射光经过所述第一1/4波片和所述第二1/2波片后形成第一椭圆偏振光，另一路反射光成为所述第二偏振分光器的入射光；所述第二偏振分光器向右依次通过第二1/4波片和第三1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧中部位置，所述碱金属原子气室的右侧中部位置连接第二偏振分光组合棱镜，所述第二偏振分光组合棱镜连接第二平衡光电探测器，所述第二偏振分光器的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第二1/4波片和第三1/2波片后形成第二椭圆偏振光，另一路透射光成为所述第三偏振分光器的入射光；所述第三偏振分光器向右依次通过第三1/4波片和第四1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧下部位置，所述碱金属原子气室的右侧下部位置连接第三偏振分光组合棱镜，所述第三偏振分光组合棱镜连接第三平衡光电探测器，所述第三偏振分光器的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第三1/4波片和第四1/2波片后形成第三椭圆偏振光，另一路透射光为能够用于级联其他偏振分光器的入射光。

所述磁屏蔽装置为磁屏蔽桶或磁屏蔽房。

本发明的技术效果如下：本发明一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，通过偏振分光器件与四分之一波片将一束任意偏振态的激光调整为多束椭圆偏振光随后通过原子气室，利用平衡光电探测器对经过原子气室的多束光进行旋光角检测。通过信号发生器产生正弦波或方波电压信号作用于磁场线圈，对原子气室中的碱金属原子自旋进行调制，平衡光电探测器输出的电流信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入锁相放大器。被调制后的原子自旋信号，同时受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束旋光角产生变化，反映在平衡光电探测器探测到的电流信息中。通过锁相放大器对该电流信息进行解调提取，可得到某一束激光探测到的磁场信息，装置内部具有多束探测激光，可实现对不同空间位置处的磁场测量，不同位置的磁场通过差分、梯度运算，可实现梯度磁场测量。本发明相比单通道磁场测量装置及方法，可实现环境磁场的梯度测量，对环境共模噪声抑制能力显著提高，抗外界干扰能力强；相比其他梯度磁场测量装置，本装置通道间基线长度大，可实现大空间范围梯度磁场测量，同时多通道构型使磁场测量通道数增加，得以进行高空间分辨率测量。本发明可应用于深磁源探测、生物极弱磁探测等，对提高极弱磁探测能力、增强环境适应性和探测空间分辨率、抑制共模噪声影响等方面具有重要意义。

附图说明

图1为实施本发明一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置结构示意图。

图2为图1中检测部分结构示意图。图2中碱金属原子气室左侧各个椭圆偏振光光束的旋光角均相同，碱金属原子气室右侧各个椭圆偏振光光束的旋光角各有变化，例如，自下而上旋光角由小变大，图2中上部圈十字图标右倾幅度最大。

图3为图1中平衡光电探测器输出的系统响应示意图。图3中横坐标为外部磁场大小(nT，纳特，正向变化为0～50～100～150，负向变化为0～-50～-100～-150)，纵坐标为平衡光电探测器输出电流(mA，0～0.1～0.2～0.3…0.7～0.8～0.9～1)。

图中附图标记为：1-激光光源；2-起偏器；3-第一1/2波片；6-碱金属原子气室；7-无磁电加热器；10-磁场线圈；11-信号发生器；12-锁相放大器；13-磁屏蔽装置；30-第二1/2波片；31-第三1/2波片；32-第四1/2波片；40-第一偏振分光器；41-第二偏振分光器；42-第三偏振分光器；50-第一1/4波片；51-第二1/4波片；52-第三1/4波片；80-第一偏振分光组合棱镜；81-第二偏振分光组合棱镜；82-第三偏振分光组合棱镜；90-第一平衡光电探测器；91-第二平衡光电探测器；92-第三平衡光电探测器；101-第一偏振态激光光束；102-第一椭圆偏振光；103-第二椭圆偏振光；104-第三椭圆偏振光；B_x90-第一椭圆偏振光102经过碱金属原子气室6(例如，上部位置)时感受到的磁场矢量的X方向分量(由第一平衡光电探测器90输出)；B_x91-第二椭圆偏振光103经过碱金属原子气室6(例如，中部位置)时感受到的磁场矢量的X方向分量(由第二平衡光电探测器91输出)；B_x92-第三椭圆偏振光104经过碱金属原子气室6(例如，下部位置)时感受到的磁场矢量的X方向分量(由第三平衡光电探测器92输出)。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图3)对本发明进行说明。

图1为实施本发明一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置结构示意图。图2为图1中检测部分结构示意图。图2中碱金属原子气室左侧各个椭圆偏振光光束的旋光角均相同，碱金属原子气室右侧各个椭圆偏振光光束的旋光角各有变化，例如，自下而上旋光角由小变大，图2中上部圈十字图标右倾幅度最大。图3为图1中平衡光电探测器输出的系统响应示意图。参考图1至图3所示，一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，包括沿x轴方向从碱金属原子气室6一侧穿越到另一侧的多路平行探测光束(例如，第一椭圆偏振光102，第二椭圆偏振光103，第三椭圆偏振光104等)以同时探测所述碱金属原子气室6中不同空间位置处的磁场，所述多路平行探测光束来自于一一对应的多个偏振分光器(例如，第一偏振分光器40，第二偏振分光器41，第三偏振分光器42等)，所述多个偏振分光器沿z轴方向级联设置，所述多个偏振分光器中只有一个偏振分光器(例如，第一偏振分光器40)连接激光光源1以获取单束探测光(例如，第一偏振态激光光束101)，所述多路平行探测光束出射至一一对应的多个偏振分光组合棱镜(例如，第一偏振分光组合棱镜80，第二偏振分光组合棱镜81，第三偏振分光组合棱镜82等)，所述多个偏振分光组合棱镜以一对一方式连接多个平衡光电探测器(例如，第一平衡光电探测器90，第二平衡光电探测器91，第三平衡光电探测器92等)。所述多路平行探测光束均为椭圆偏振光，所述激光光源1发射的所述单束探测光为任意偏振态激光。所述多路平行探测光束具有相同的光强。

所述碱金属原子气室6的外围设置有无磁电加热器7，所述无磁电加热器7的外围设置有磁场线圈10，所述磁场线圈10的外部设置有磁屏蔽装置13，所述多个平衡光电探测器分别连接锁相放大器12，所述锁相放大器12连接信号发生器11，所述信号发生器11连接所述磁场线圈10。所述信号发生器11产生正弦波或方波电压信号作用于所述磁场线圈10，进而对所述碱金属原子气室6中的碱金属原子自旋进行调制，被调制后的原子自旋信号因受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束旋光角产生变化，反映在平衡光电探测器探测到的电流信息中，所述平衡光电探测器输出的电流信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入所述锁相放大器12。所述无磁电加热器7用于对所述碱金属原子气室6加热以提高气室内原子数密度，所述磁屏蔽装置13用于屏蔽外部磁场，所述磁场线圈10用于产生三个正交方向磁场以使气室内部磁场补偿至零磁环境，从而降低原子弛豫，所述激光光源1的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁环境时，对外部磁场变化敏感，使椭圆偏振光通过碱金属原子气室6的光束线偏振方向产生角度变化，即旋光角产生变化，通过旋光角大小与磁场大小成比例关系获得磁场大小信息。所述偏振分光组合棱镜和所述平衡光电探测器对椭圆偏振光通过所述碱金属原子气室6后其线偏振方向产生角度变化而形成的旋光角进行检测以得到所述碱金属原子气室6中空间位置处的磁场大小信息。利用所述平衡光电探测器检测到的旋光角得到对应的原子极化率变化，利用原子极化率变化实现对磁场分量的测量，通过多个平衡光电探测器探测到不同位置处的磁场信号，对不同平衡光电探测器的输出信号进行差分以实现多通道梯度磁场测量。

所述多个偏振分光器包括自上而下设置的第一偏振分光器40、第二偏振分光器41和第三偏振分光器42，所述第一偏振分光器40向左依次通过第一1/2波片3和起偏器2连接所述激光光源1，所述第一偏振分光器40向右依次通过第一1/4波片50和第二1/2波片30连接所述碱金属原子气室6的左侧上部位置，所述碱金属原子气室6的右侧上部位置连接第一偏振分光组合棱镜80，所述第一偏振分光组合棱镜80连接第一平衡光电探测器90，所述激光光源1发射的第一偏振态激光光束101经过所述起偏器2和所述第一1/2波片3后形成线偏振光，所述线偏振光被所述第一偏振分光器40分为两路，其中一路透射光经过所述第一1/4波片50和所述第二1/2波片30后形成第一椭圆偏振光102，另一路反射光成为所述第二偏振分光器41的入射光；所述第二偏振分光器41向右依次通过第二1/4波片51和第三1/2波片31连接所述碱金属原子气室6的左侧中部位置，所述碱金属原子气室6的右侧中部位置连接第二偏振分光组合棱镜81，所述第二偏振分光组合棱镜81连接第二平衡光电探测器91，所述第二偏振分光器41的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第二1/4波片51和第三1/2波片31后形成第二椭圆偏振光103，另一路透射光成为所述第三偏振分光器42的入射光；所述第三偏振分光器42向右依次通过第三1/4波片52和第四1/2波片32连接所述碱金属原子气室6的左侧下部位置，所述碱金属原子气室6的右侧下部位置连接第三偏振分光组合棱镜82，所述第三偏振分光组合棱镜82连接第三平衡光电探测器92，所述第三偏振分光器42的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第三1/4波片52和第四1/2波片32后形成第三椭圆偏振光104，另一路透射光为能够用于级联其他偏振分光器的入射光。所述磁屏蔽装置13为磁屏蔽桶或磁屏蔽房。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，提出了新型的小型化集成化的磁场测量装置形式。图1为本发明的结构示意图，由图可见，本发明装置包括激光光源1、起偏器2、第一1/2波片3、第一偏振分光器40、第一1/4波片50、第二1/2波片30、碱金属原子气室6、无磁电加热器7、磁场线圈10、第一偏振分光组合棱镜80、第一平衡光电探测器90、第二偏振分光器41、第二1/4波片51、第三1/2波片31、第二偏振分光组合棱镜81、第二平衡光电探测器91、第三偏振分光器42、第三1/4波片52、第四1/2波片32、第三偏振分光组合棱镜82、第三平衡光电探测器92、信号发生器11、锁相放大器12、磁屏蔽装置13。无磁电加热器7负责将碱金属原子气室6加热，根据气室内含碱金属原子的种类不同，可加热至120摄氏度至190摄氏度，使原子气室内原子数密度足够高；磁屏蔽装置13用于屏蔽外部磁场，磁场线圈10负责产生三个正交方向的磁场，通过二者配合将碱金属原子气室6内部磁场补偿至零磁环境，以降低原子弛豫。激光光源1出射的任意偏振态激光101经过起偏器2生成线偏振光、第一1/2波片3与各级偏振分光器40/41/42配合，通过调整线偏振光的偏振方向，使得光束(102/103/104)光强完全相同；入射光束101经过第一偏振分光器40分成平行、垂直于入射光的两束正交的线偏振光；平行于入射光的线偏振光随后依次经过第一1/4波片50、第二1/2波片30，通过调节第一1/4波片50与第一偏振分光器40光轴的夹角，使出射光变为椭圆偏振光102，随后经过碱金属原子气室6、第一偏振分光组合棱镜80、第一平衡光电探测器90；经过第一偏振分光器40出射的垂直于入射光101光束，经过第二偏振分光器41分成两束正交的线偏振光；其中垂直于入射光的偏振光经过类似于上述光束102调整过程，生成第二椭圆偏振光103并最终到达第二偏振平衡探测器91；经过第二偏振分光器41分出的平行于入射光束的光，入射到第三偏振分光器42并经过类似于上述光束103调整过程，生成第三椭圆偏振光104并最终到达第三平衡光电探测器92；各级平衡光电探测器(90/91/92)用于探测入射到照射到探测器上两束光光强的差分信号，并将探测信号通过专用抗干扰线缆传输至锁相放大器12进行信号解调。激光光源1的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁场环境时，对外部磁场变化敏感，如图2所示，在不同位置处环境磁场X方向分量B_x90，B_x91，B_x92作用下，椭圆偏振光(102/103/104)通过碱金属原子气室后其线偏振方向产生了不同角度的变化，这个角度称之为旋光角，如图2所示，不同椭圆偏振光(102/103/104)上方分别画出了入射时的光束偏振状态和出射气室后的光束偏振状态，旋光角大小与磁场大小成比例关系，由于环境磁场X方向分量B_x90，B_x91，B_x92等在不同位置处大小不相同，导致不同位置处椭圆偏振光光束偏振状态发生了不同程度的偏转，即产生了不同大小的旋光角，通过偏振分光组合棱镜和平衡探测器可以对旋光角进行检测，从而得到磁场大小信息；同时，采用信号发生器11、磁场线圈10和锁相放大器12可以对原子态进行调制解调，实现高灵敏度磁场测量。第一平衡光电探测器90、第二平衡光电探测器91等若干光电平衡探测器可以输出不同位置的磁场信号，通过不同平衡光电探测器的输出信号进行差分，可进行多通道梯度磁场测量。平衡光电探测器输出的系统响应如图3所示。以椭圆偏振光102为例进行说明如下：当环境磁场为零时，椭圆偏振光102经偏振分光组合棱镜80后输出的两束光光强相同，此时平衡光电探测器90输出的结果为零，当环境磁场正方向增大时，旋光角随着磁场增大而变大，偏振分光组合棱镜80后输出的两束光光强差值变大，此时平衡光电探测器90输出的结果也在变大，受限于碱金属原子的特性，当外界磁场增大到某一数值时，旋光角不再随磁场增加而变大，相反的，磁场增大时旋光角不断变小，逐渐趋向于零，此时碱金属原子不再敏感环境磁场；相反的，当环境磁场负方向增大时，旋光角经历类似上述过程，最终形成如图3所示的响应曲线。

碱金属原子气室内6的碱金属原子蒸气在激光光束(102/103/104)作用下，产生极化作用。在外磁场作用下，极化率随时间的变化可以表示为

其中P表示原子极化率矢量，D为扩散系数，B为磁场大小矢量，

表示拉普拉斯算子作用是对原子极化率矢量P先作梯度运算后再作散度运算，QP为核自旋减慢因子，R为弛豫率，s为抽运光角动量，T₂为横向弛豫时间。其具体的公式计算和使用为本领域中的公知技术，在此不作赘述。

通过信号发生器11、磁场线圈10和锁相放大器12可以产生交变磁场，对原子态进行调制，该交变磁场的频率在kHz量级，最终反映在平衡光电探测器90/91/92上的信号表达式为：

其中Pz90，P_z91，P_z92表示z方向激光光束方向不同位置处的原子极化率，ω为调制频率，R为弛豫率，s为抽运光角动量，γ为旋磁比，B_x90，B_x91，B_x92分别表示待测x方向光束102、光束103、光束104经过碱金属原子气室6时感受到的磁场矢量，τ表示原子自旋相干时间，B_mod表示调制磁场大小，Q(P)为核自旋减慢因子，J₀表示第一类零阶贝塞尔函数、J₁表示第一类一阶贝塞尔函数。通过锁相放大器12对上述P_z90，P_z91，P_z92信号进行提取后，可以反推得知具体的磁场大小信息。其具体的公式计算和锁相放大过程为本领域中的公知技术，在此不作赘述。

平衡光电探测器(90/91/92)可以实现对旋光角的检测得到对应的原子极化率变化，通过上面的公式可以看到，通过检测原子极化率的变化可以实现对磁场分量的测量。各级平衡探测器可分别探测不同位置处的磁场大小，通过差分的方式可以实现对磁场梯度的测量。

在一些实施例中，激光光源1可以是通过在装置内部集成半导体激光器产生；也可以是外部光源先导入光纤，而后从光纤出射准直光构成激光光源。

在一些实施例中，碱金属原子气室6中的碱金属原子可以是钾、铷、铯其中的一种，此时激光光源1的波长对应该碱金属原子的D1线中心；同时为了降低碱金属原子气室内部的原子弛豫，气室内通常充有缓冲气体如氮气、氦气等。

在一些实施例中，磁屏蔽装置13可以是磁屏蔽桶或磁屏蔽房等，由多层高导磁材料坡莫合金组成，部分实施例中还采用铁氧体桶置于磁屏蔽装置内部，以进一步降低磁噪声，提升测量装置的灵敏度。

在一些实施例中，磁场线圈10可以为梯度磁场线圈或匀场线圈中的一种或两种组合形式，以将碱金属原子气室6所处的磁场补偿到零磁状态。结合信号发生器11和锁相放大器12，对碱金属原子施加调制磁场，增强信号检测能力。

在一些实施例中，通过调节1/2波片(30/31/32)使平衡光电探测器(90/91/92)初始工作状态时输出信号为零。通过调节第一1/2波片3与1/4波片(50/51/52)等使经过碱金属原子气室6的光束光强、偏振度、偏振方向完全相同。

在一些实施例中，除了所述的入射到碱金属原子气室6的光束可只有光束102、光束103、光束104中的两束，三束，或更多平行于这三束光的光束入射。第三偏振分光器42下方的省略号表示仍有若干类似光束调整过程，在图中未表示完整。通过该调整过程，可生成若干平行于光束102的椭圆偏振光等，经过碱金属原子气室后，最终到达对应平衡光电探测器，实现与光束(102/103/104)相同的效果；最终，本装置梯度磁场测量结果可分别表示为：

其中，d₁表示光束102、光束103沿Y方向的垂直距离。该公式表示空间磁场矢量的X方向分量，沿Y方向距离为d₁时的梯度测量结果。

其中，d2表示光束103、光束104沿Y方向的距离。该公式表示空间磁场的X方向分量，沿Y方向距离为d₂时的梯度测量结果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：包括沿x轴方向从碱金属原子气室一侧穿越到另一侧的多路平行探测光束以同时探测所述碱金属原子气室中不同空间位置处的磁场，所述多路平行探测光束来自于一一对应的多个偏振分光器，所述多个偏振分光器沿z轴方向级联设置，所述多个偏振分光器中只有一个偏振分光器连接激光光源以获取单束探测光，所述多路平行探测光束出射至一一对应的多个偏振分光组合棱镜，所述多个偏振分光组合棱镜以一对一方式连接多个平衡光电探测器。

2.根据权利要求1所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述多路平行探测光束均为椭圆偏振光，所述激光光源发射的所述单束探测光为任意偏振态激光。

3.根据权利要求1所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述多路平行探测光束具有相同的光强。

4.根据权利要求1所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述碱金属原子气室的外围设置有无磁电加热器，所述无磁电加热器的外围设置有磁场线圈，所述磁场线圈的外部设置有磁屏蔽装置，所述多个平衡光电探测器分别连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号发生器，所述信号发生器连接所述磁场线圈。

5.根据权利要求4所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述信号发生器产生正弦波或方波电压信号作用于所述磁场线圈，进而对所述碱金属原子气室中的碱金属原子自旋进行调制，被调制后的原子自旋信号因受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束旋光角产生变化，反映在平衡光电探测器探测到的电流信息中，所述平衡光电探测器输出的电流信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入所述锁相放大器。

6.根据权利要求4所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述无磁电加热器用于对所述碱金属原子气室加热以提高气室内原子数密度，所述磁屏蔽装置用于屏蔽外部磁场，所述磁场线圈用于产生三个正交方向磁场以使气室内部磁场补偿至零磁环境，从而降低原子弛豫，所述激光光源的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁环境时，对外部磁场变化敏感，使椭圆偏振光通过碱金属原子气室的光束线偏振方向产生角度变化，即旋光角产生变化，通过旋光角大小与磁场大小成比例关系获得磁场大小信息。

7.根据权利要求1所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述偏振分光组合棱镜和所述平衡光电探测器对椭圆偏振光通过所述碱金属原子气室后其线偏振方向产生角度变化而形成的旋光角进行检测以得到所述碱金属原子气室中空间位置处的磁场大小信息。

8.根据权利要求7所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：利用所述平衡光电探测器检测到的旋光角得到对应的原子极化率变化，利用原子极化率变化实现对磁场分量的测量，通过多个平衡光电探测器探测到不同位置处的磁场信号，对不同平衡光电探测器的输出信号进行差分以实现多通道梯度磁场测量。

9.根据权利要求1所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述多个偏振分光器包括自上而下设置的第一偏振分光器、第二偏振分光器和第三偏振分光器，所述第一偏振分光器向左依次通过第一1/2波片和起偏器连接所述激光光源，所述第一偏振分光器向右依次通过第一1/4波片和第二1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧上部位置，所述碱金属原子气室的右侧上部位置连接第一偏振分光组合棱镜，所述第一偏振分光组合棱镜连接第一平衡光电探测器，所述激光光源发射的第一偏振态激光光束经过所述起偏器和所述第一1/2波片后形成线偏振光，所述线偏振光被所述第一偏振分光器分为两路，其中一路透射光经过所述第一1/4波片和所述第二1/2波片后形成第一椭圆偏振光，另一路反射光成为所述第二偏振分光器的入射光；所述第二偏振分光器向右依次通过第二1/4波片和第三1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧中部位置，所述碱金属原子气室的右侧中部位置连接第二偏振分光组合棱镜，所述第二偏振分光组合棱镜连接第二平衡光电探测器，所述第二偏振分光器的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第二1/4波片和第三1/2波片后形成第二椭圆偏振光，另一路透射光成为所述第三偏振分光器的入射光；所述第三偏振分光器向右依次通过第三1/4波片和第四1/2波片连接所述碱金属原子气室的左侧下部位置，所述碱金属原子气室的右侧下部位置连接第三偏振分光组合棱镜，所述第三偏振分光组合棱镜连接第三平衡光电探测器，所述第三偏振分光器的入射光被分为两路，其中一路反射光经过所述第三1/4波片和第四1/2波片后形成第三椭圆偏振光，另一路透射光为能够用于级联其他偏振分光器的入射光。

10.根据权利要求4所述的基于原子自旋效应的多通道梯度磁场测量装置，其特征在于：所述磁屏蔽装置为磁屏蔽桶或磁屏蔽房。

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