CN112114279A - 一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪 - Google Patents
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Abstract
一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，包括光路系统、线圈系统、原子气室无磁加热系统和三轴磁场闭环控制系统；利用光纤导引激光，经过准直透镜、起偏器和1/4波片作用，形成圆偏振激光，用于极化碱金属原子。通过耦合透镜和多模光纤对透过原子气室的激光进行耦合与探测，获取三轴磁场信息；线圈系统由三组正交磁场线圈构成，用于产生补偿磁场；原子气室无磁加热系统，包含碱金属原子气室、无磁加热片和热敏电阻；三轴磁场闭环控制系统是采用反馈补偿方式，通过线圈系统产生磁场抵消外界磁场，控制原子系统处于零磁场，实现三轴磁场闭环输出。本发明与现有技术相比能实现磁场三轴同时测量，并且量程大、结构紧凑、易实现芯片化和工程化。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片式高精度三轴矢量SERF原子磁力仪，属于量子精密测量技术领域。
背景技术
2002年，普林斯顿大学首次研制成功SERF原子磁力仪，引起国际众多研究单位的关注。SERF原子磁力仪具有超高灵敏度、小体积、低功耗等特性，已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一。目前，在灵敏度上SERF原子磁力仪已超越SQUID磁力仪，成为世界上灵敏度最高的磁力仪。对于SERF磁力仪的研究和发展不仅仅停留于实验室阶段，还实现商业化产品，已经广泛应用于脑磁图、心磁图和物质结构探测等领域。
然而，对于SERF原子磁力仪无论是实验室研究还是商业化产品，具有以下不足：第一，无法实现矢量磁场三轴的同时测量；第二，测量量程太小；所以，实现一种大量程、高精度的三轴矢量SERF原子磁力仪，对生物磁场测量、地磁台站监测和空间磁探测等应用领域具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足和缺陷，提供一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，该装置利用光纤导引和光纤耦合的方式减少探头体积，实现芯片式磁力仪。另外，巧妙地设计了三组高均匀性的磁场线圈，并结合磁场三轴精确闭环控制技术，使得该SERF原子磁力仪具有高精度、大量程以及三轴磁场同时测量等优点。
本发明采用如下技术方案予以实现：
一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，包括光路系统、线圈系统、原子气室无磁加热系统和三轴磁场闭环控制系统；
光路系统包括单模保偏光纤、准直透镜、起偏器、1/4波片、耦合透镜和多模光纤；
输入激光通过单模保偏光纤导引，经过准直透镜整形变成平行光后，由起偏器和1/4波片将线偏振激光变为圆偏振激光，并输入到原子气室无磁加热系统中，用于极化原子气室内碱金属原子自旋；通过耦合透镜将与原子气室无磁加热系统发生作用后且包含磁场信息的激光耦合至多模光纤，通过多模光纤输送到三轴磁场闭环控制系统中；三轴磁场闭环控制系统对输入的激光信号进行检测和磁场解耦，采用反馈补偿方式，通过布设在原子气室无磁加热系统外部的线圈系统产生磁场抵消外界磁场，控制原子处于零磁场，实现三轴磁场闭环输出。
进一步的，线圈系统包括三组相互正交的线圈，原子气室置于线圈系统中央，线圈系统用于产生三个方向的反馈补偿磁场。
进一步的，线圈采用亥姆霍兹线圈或者四环Barker线圈。
进一步的，原子气室无磁加热系统包括碱金属原子气室、热敏电阻和无磁加热片；
原子气室内充有碱金属、缓冲气体和淬灭气体；无磁加热片粘贴于碱金属原子气室端面上，用于对碱金属原子气室进行加热，保证原子系统处于SERF态；热敏电阻粘贴于原子气室上，用于实时测量原子气室温度，实现温度精密控制。
进一步的，起偏器和1/4波片将线偏振激光变为圆偏振激光后，即送入原子气室，与原子气室的原子发生作用的激光包含磁场信息，输出后送入耦合透镜。
进一步的，利用单模保偏光纤导引方式实现激光和碱金属原子气室相互作用；利用多模光纤实现对包含待测磁场信息激光的耦合和传输；
进一步的，磁场三轴闭环控制系统包括激光信号的检测电路、磁场解耦电路和PID反馈控制电路；
检测电路，对光纤输出激光信号进行探测和放大；
磁场解耦电路，对磁场三个方向进行解调；
PID反馈控制电路：基于原子系统处于SERF态，采用PID反馈控制，通过三组正交线圈实现三个方向磁场的实时补偿，进而实现磁场精密探测。
进一步的，检测电路，包括光电探测器、电流电压转换电路和信号放大电路，利用光电探测器对包含待测磁场信息的激光进行探测，得到的信号经过电流电压转换电路处理为电压信号输出，最后在通过信号放大器放大。
进一步的，磁场解耦电路，包括乘法器电路和低通滤波器电路，检测电路输出的电压信号在乘法器电路中与外部输入的磁场调制驱动信号进行相乘处理，之后再通过低通滤波器电路进行低通滤波，从而实现磁场解耦。
进一步的，利用光纤导引和光纤耦合方式实现磁力仪探头芯片化且降低探头剩余磁场对磁力仪灵敏度影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明的芯片式高精度、大量程三轴矢量SERF原子磁力仪，通过光纤导引和光纤耦合方式实现原子自旋极化和原子自旋探测，降低了探头剩余磁场，并且简化探头光路结构，便于实现芯片式原子磁力仪；
(2)本发明的芯片式高精度、大量程三轴矢量SERF原子磁力仪，通过设计三组正交的、高磁场均匀性的亥姆霍兹线圈或者四环Barker线圈，提高原子磁力仪的测量精度；
(3)本发明的芯片式高精度、大量程三轴矢量SERF原子磁力仪，通过结合磁场三轴闭环控制技术和磁场解调技术，增大原子磁力仪的测量量程；
(4)本发明的芯片式高精度、大量程三轴矢量SERF原子磁力仪，在保证高精度和大量程前提下，能够实现磁场三轴同时测量，对生物磁场测量、地磁台站监测和空间磁探测等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明的芯片式高精度三轴矢量SERF原子磁力仪示意图；
图2为检测电路原理图；
图3为三轴磁场解耦电路原理图；
其中，1为单模光纤，2为激光光束，3为准直透镜，4为起偏器，5为1/4波片，6为三组正交线圈，7为原子气室，8为热敏电阻，9为无磁加热片，10为耦合透镜，11为多模光纤。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在阐述本发明内容之前，定义本发明中所使用的术语如下：
术语“SERF”是指：Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换碰撞弛豫。
术语“SQUID”是指：Superconducting quantum interference devices，超导量子干涉仪。
本发明的目的是提供一种芯片式高精度三轴矢量SERF原子磁力仪，具有高精度、大量程以及三轴磁场同时测量等优点，并且探头结构上易于实现芯片化和工程化。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种芯片式大量程、高精度的三轴矢量SERF原子磁力仪，该装置利用光纤导引和光纤耦合的方式减少探头体积，实现芯片式磁力仪。另外，巧妙地设计了三组高磁场均匀性的线圈，并结合磁场三轴精确闭环控制技术，使得该SERF原子磁力仪具有高精度、大量程以及三轴磁场同时测量等优点。
具体的，如图1所示，本发明提出的一种芯片式高精度三轴矢量SERF原子磁力仪，包括光路系统、线圈系统、原子气室无磁加热系统和三轴磁场闭环控制系统。
光路系统包括单模保偏光纤1、准直透镜3、起偏器4、1/4波片5、耦合透镜10和多模光纤11，其中：
单模保偏光纤1导引激光器发射的一束激光2；经过准直透镜3将发散的激光变为平行准直光束；通过起偏器4和1/4波片5的作用实现一束圆偏振激光，并输入到原子气室无磁加热系统中，用于极化原子气室内碱金属原子。
该圆偏振激光具有两个作用：泵浦极化碱金属原子和探测待测磁场作用下原子自旋的变化；
利用耦合透镜10和多模光纤11对包含待测磁场信息的激光进行耦合、传输和探测。具体的，通过耦合透镜10将透过原子气室且包含磁场信息的激光耦合至多模光纤11，通过多模光纤11输送到三轴磁场闭环控制系统中；三轴磁场闭环控制系统对输入的激光信号进行检测和磁场解耦，采用反馈补偿方式，通过布设在原子气室无磁加热系统外部的线圈系统产生磁场抵消外界磁场，控制原子处于零磁场，实现三轴磁场闭环输出。
如图1所示，本发明中所述线圈系统包括三组相互正交的线圈6，对原子自旋进行三轴磁场调制和剩余磁场进行精密补偿；每一组线圈分别为剩余磁场补偿线圈和调制磁场线圈，分别产生调制磁场和用于产生补偿磁场，通过补偿磁场抵消外界磁场，控制原子处于零磁场，实现三轴磁场闭环输出。
三轴矢量原子磁力仪工作原理主要有：磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法等。本发明针对芯片化、工程化角度，选择磁场分立调制法，对原子自旋产生三个方向的磁场调制，具体工作原理可以阅览相关文献。
为提高原子磁力仪测量精度，线圈6由高磁场均匀性的亥姆霍兹线圈或者四环Barker线圈构成；
原子气室无磁加热系统包括：原子气室7、热敏电阻8和无磁加热片9；原子气室7充有碱金属、缓冲气体和淬灭气体；碱金属为铯、钾或铷；缓冲气体一般为氦气；淬灭气体一般为氮气；无磁加热片9粘贴于原子气室7非通光端面上，用于对碱金属原子气室进行加热，提高原子疏密度保证原子系统处于SERF量子态；热敏电阻8粘贴于原子气室7上，用于实时测量原子气室7温度，实现原子气室7温度的精密控制；
磁场三轴闭环控制系统包括激光信号的检测电路、三轴磁场解耦电路和PID控制电路。
检测电路，如图2所示，包括光电探测器、电流电压转换电路和信号放大电路，利用光电探测器对包含待测磁场信息的激光进行探测，得到的信号经过电流电压转换电路处理为电压信号输出，最后在通过信号放大器放大。
三轴磁场解耦电路，如图3所示，包括乘法器电路和低通滤波器电路，检测电路输出的电压信号在乘法器电路中与外部输入的磁场调制驱动信号进行相乘处理，之后再通过低通滤波器电路进行低通滤波，从而实现磁场解耦。解耦后的信号送入PID控制电路。
PID控制电路：基于原子系统处于SERF量子态，利用PID控制对三轴磁场实时补偿，从而实现磁场精密探测。
实施例：
高精度三轴原子磁力仪实现磁场精密探测主要是基于磁致进动效应、光泵极化原子和碱金属原子弛豫三种物理过程。一般存在两种调制方式：磁场交叉调制法和磁场分立调制法。本发明实现三轴矢量SERF原子磁力仪的物理原理是建立在磁场分立调制法的基础上，具体实现极弱磁精密探测原理是相对成熟的技术，本发明专利中简单陈述，详细推导过程可详见相关文献资料。
本发明中所述高精度，是从线圈和驱动电路角度出发考虑的，用的是20位DA芯片，最大驱动电压范围为±5V，理论上线圈驱动电压精度为9.54uV。三轴线圈设计的标定因数为1.5×103nT/mA，负载电阻为100Ω时，磁场精度为0.15nT。同时，最大量程为±7.5×104nT。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：包括光路系统、线圈系统、原子气室无磁加热系统和三轴磁场闭环控制系统；
光路系统包括单模保偏光纤(1)、准直透镜(3)、起偏器(4)、1/4波片(5)、耦合透镜(10)和多模光纤(11)；
输入激光(2)通过单模保偏光纤(1)导引，经过准直透镜(3)整形变成平行光后，由起偏器(4)和1/4波片(5)将线偏振激光变为圆偏振激光，并输入到原子气室无磁加热系统中，用于极化原子气室内碱金属原子自旋；通过耦合透镜(10)将与原子气室无磁加热系统发生作用后且包含磁场信息的激光耦合至多模光纤(11)，通过多模光纤(11)输送到三轴磁场闭环控制系统中；三轴磁场闭环控制系统对输入的激光信号进行检测和磁场解耦，采用反馈补偿方式，通过布设在原子气室无磁加热系统外部的线圈系统产生磁场抵消外界磁场，控制原子处于零磁场，实现三轴磁场闭环输出。
2.根据权利要求1所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：线圈系统包括三组相互正交的线圈(6)，原子气室置于线圈系统中央，线圈系统用于产生三个方向的反馈补偿磁场。
3.根据权利要求2所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：线圈(6)采用亥姆霍兹线圈或者四环Barker线圈。
4.根据权利要求1所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：原子气室无磁加热系统包括碱金属原子气室(7)、热敏电阻(8)和无磁加热片(9)；
原子气室(7)内充有碱金属、缓冲气体和淬灭气体；无磁加热片(9)粘贴于碱金属原子气室(7)端面上，用于对碱金属原子气室(7)进行加热，保证原子系统处于SERF态；热敏电阻(8)粘贴于原子气室(7)上，用于实时测量原子气室(7)温度，实现温度精密控制。
5.根据权利要求4所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：起偏器(4)和1/4波片(5)将线偏振激光变为圆偏振激光后，即送入原子气室(7)，与原子气室(7)中碱金属原子发生作用的激光包含磁场信息，输出后送入耦合透镜(10)和多模光纤(11)。
6.根据权利要求4所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：利用单模保偏光纤(1)导引方式实现激光和碱金属原子气室(7)相互作用；利用多模光纤(11)实现对包含待测磁场信息激光的耦合和传输。
7.根据权利要求1所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：磁场三轴闭环控制系统包括激光信号的检测电路、磁场解耦电路和PID反馈控制电路；
检测电路对光纤输出激光信号进行探测，之后通过磁场解耦电路对磁场三个方向进行解调，解调后的信号送入PID反馈控制电路，基于原子系统处于SERF量子态，采用PID反馈控制，通过三组正交线圈实现三个方向磁场的实时补偿，进而实现磁场精密探测。
8.根据权利要求7所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：检测电路，包括光电探测器、电流电压转换电路和信号放大电路，利用光电探测器对包含待测磁场信息的激光进行探测，得到的信号经过电流电压转换电路处理为电压信号输出，最后在通过信号放大器放大。
9.根据权利要求7所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：磁场解耦电路，包括乘法器电路和低通滤波器电路，检测电路输出的电压信号在乘法器电路中与外部输入的磁场调制驱动信号进行相乘处理，之后再通过低通滤波器电路进行低通滤波，从而实现磁场解耦。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：利用光纤导引和光纤耦合方式实现磁力仪探头芯片化且降低探头剩余磁场对磁力仪灵敏度影响。
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- 2020-08-25 CN CN202010864118.4A patent/CN112114279A/zh active Pending
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