CN112180302B - 一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头 - Google Patents

一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头 Download PDF

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Abstract

一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，涉及原子磁力仪技术领域。本发明是为了解决现有的原子磁力仪信噪比低，不能对磁场进行高灵敏度测量的问题。该原子磁力仪探头包括：激光器、1/2波片、偏振分束棱镜、1/4波片、原子气室、光电探测器、半透半反镜、鉴频模块和PID反馈电路；原子磁力仪探头利用激光操控原子来提取原子感受到的磁场信息，即利用气态碱金属铯原子外层未配对电子或氦原子电子的自旋与磁场的关系，通过光学方法操控原子中的电子能级跃迁，实现对原子拉莫尔进动的频率测量，进而实现原子磁力仪对磁场的高灵敏度测量。本发明适用于探测领域。

Description

一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头
技术领域
本发明属于原子磁力仪技术领域，特别涉及磁力仪探头。
背景技术
随着潜艇隐身技术的发展，对目前的磁异常反潜技术提出了新的挑战，现有的磁力仪的探测灵敏度在未来的反潜战中已不能满足要求。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。由于磁感应强度信号和距离的关系为3次方反比关系，也就是说要提升1倍的探潜范围，原子磁力仪的灵敏度要提升近1个数量级。因此，磁异常探潜系统的探测距离主要依赖于原子磁力仪灵敏度的性能提升，由此引发国内外对高灵敏度原子磁力仪的研究。
目前高灵敏度磁传感器的缺乏，限制了磁异常监测设备及系统的技术发展，进而影响反潜能力的提升。因此开展新一代高灵敏度原子磁力仪技术研究，提升磁异常反潜能力，已是迫在眉睫要解决的问题和急需开展的研究工作。其中，原子磁力仪探头是原子磁力仪进行高灵敏度磁场探测技术的基础，是原子磁力仪的关键部件。现有原子磁力仪使用射频线圈调制磁场技术，原子磁力仪的信噪比低，不能对磁场进行高灵敏度的测量。
发明内容
本发明是为了解决现有的原子磁力仪信噪比低，不能对磁场进行高灵敏度的测量。现提供如下技术方案：
本发明所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，包括：第一激光器、第一1/2波片、第一偏振分束棱镜、第一1/4波片、原子气室、第一光电探测器、第二激光器、第二1/2波片、第二偏振分束棱镜、第二1/4波片、半透半反镜、第二光电探测器、鉴频模块和PID反馈电路；
第一激光器射出的探测光通过第一1/2波片透射至第一偏振分束棱镜，第一偏振分束棱镜将探测光分为两束探测光，一束探测光通过第一1/4波片透射至原子气室内，另一束探测光反射至半透半反镜；
第二激光器射出的虚拟磁场控制光通过第二1/2波片透射至第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜将虚拟磁场控制光分为两束虚拟磁场控制光，一束虚拟磁场控制光通过第二1/4波片透射至原子气室内，另一束虚拟磁场控制光反射至半透半反镜；
半透半反镜将入射的探测光和虚拟磁场控制光进行叠加并反射至第二光电探测器的光敏面上，第二光电探测器将接收的光信号转变为电信号，第二光电探测器的电信号输出端与鉴频模块的电信号输入端相连，鉴频模块的鉴频信号输出端与PID反馈电路的鉴频信号输入端相连，PID反馈电路的反馈信号输出端与第二激光器的反馈信号输入端相连；第二激光器根据反馈信号射出虚拟磁场控制光，所述虚拟磁场控制光的激光频率锁定在距离铯原子光谱D1线共振频率失谐10GHz的频率上；
原子气室为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子，133Cs原子在虚拟磁场控制光的照射下与探测光相互作用形成磁共振探测光，磁共振探测光入射至第一光电探测器的光敏面上。
作为优选的是，第一激光器和第二激光器均为VCSEL半导体激光器，第一激光器和第二激光器的波长均为894nm。
作为优选的是，第一光电探测器和第二光电探测器的型号均为GT101，第一光电探测器输出的电信号为磁共振电信号。
作为优选的是，第一1/2波片透射的光为偏振状态探测光，第二1/2波片透射的光为偏振状态虚拟磁场控制光。
作为优选的是，第一1/4波片透射的光为圆偏振探测光，第二1/4波片透射的光为圆偏振虚拟磁场控制光。
作为优选的是，原子磁力仪探头的封装材料包括聚四氟乙烯、陶瓷和ABS塑料，封装材料均为无磁性材料。
有益效果：本发明所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，通过激光调制中的光虚拟磁场调制技术，替代现有原子磁力仪的射频线圈调制磁场技术，提高了原子磁力仪的信噪比，实现原子磁力仪对磁场的高灵敏度测量，且测量过程中减少了探头内部的磁场干扰。
附图说明
图1是一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头的原理结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头包括：包括：第一激光器、第一1/2波片、第一偏振分束棱镜、第一1/4波片、原子气室、第一光电探测器、第二激光器、第二1/2波片、第二偏振分束棱镜、第二1/4波片、半透半反镜、第二光电探测器、鉴频模块和PID反馈电路；
第一激光器射出的探测光通过第一1/2波片透射至第一偏振分束棱镜，第一偏振分束棱镜将探测光分为两束探测光，一束探测光通过第一1/4波片透射至原子气室内，另一束探测光反射至半透半反镜；
第二激光器射出的虚拟磁场控制光通过第二1/2波片透射至第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜将虚拟磁场控制光分为两束虚拟磁场控制光，一束虚拟磁场控制光通过第二1/4波片透射至原子气室内，另一束虚拟磁场控制光反射至半透半反镜；
半透半反镜将入射的探测光和虚拟磁场控制光进行叠加并反射至第二光电探测器的光敏面上，第二光电探测器将接收的光信号转变为电信号，第二光电探测器的电信号输出端与鉴频模块的电信号输入端相连，鉴频模块的鉴频信号输出端与PID反馈电路的鉴频信号输入端相连，PID反馈电路的反馈信号输出端与第二激光器的反馈信号输入端相连；第二激光器根据反馈信号射出虚拟磁场控制光，所述虚拟磁场控制光的激光频率锁定在距离铯原子光谱D1线共振频率失谐10GHz的频率上；
原子气室为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子，133Cs原子在虚拟磁场控制光的照射下与探测光相互作用形成磁共振探测光，磁共振探测光入射至第一光电探测器的光敏面上。
进一步的，第一激光器和第二激光器均为VCSEL半导体激光器，第一激光器和第二激光器的波长均为894nm。
进一步的，第一光电探测器和第二光电探测器的型号均为GT101，第一光电探测器输出的电信号为磁共振电信号。
进一步的，第一1/2波片透射的光为偏振状态探测光，第二1/2波片透射的光为偏振状态虚拟磁场控制光。
进一步的，第一1/4波片透射的光为圆偏振探测光，第二1/4波片透射的光为圆偏振虚拟磁场控制光。
进一步的，原子磁力仪探头的封装材料包括聚四氟乙烯、陶瓷和ABS塑料，封装材料均为无磁性材料。
本实施方式的原理为：
本实施方式所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，主要用于感受外界磁场。原子磁力仪探头利用激光操控原子来提取原子感受到的磁场信息，即利用气态碱金属铯原子外层未配对电子或氦原子的电子的自旋与磁场的关系，通过光学方法操控原子中的电子能级跃迁，实现对原子拉莫尔进动的频率测量，进而实现原子磁力仪对磁场的高灵敏度测量。
第一激光器和第二激光器分别发出探测光和控制光，探测光和控制光分别通过各自的1/2波片、偏振分束棱镜和1/4波片透射至原子气室，第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜将分束的探测光和控制光入射至半透半反镜，半透半反镜将入射的探测光和控制光进行叠加并反射至第二光电探测器的光敏面上，第二光电探测器将光信号转换为电信号，电信号通过鉴频模块和PID反馈电路对第二激光器的控制光频率进行反馈控制，使控制光的激光频率锁定在距离铯原子光谱D1线共振频率失谐10GHz的频率上，形成虚拟磁场控制光。鉴频模块用于锁定第二激光器的磁共振峰。第二激光器发出的虚拟磁场控制光透射至原子气室。原子气室内封装有133Cs原子，原子气室在虚拟磁场控制光的照射下与探测光相互作用，形成磁共振探测光信号，实现光虚拟磁场调制技术。第一光电探测器接收磁共振探测光信号，并将其转变成磁共振信息电信号。
实际应用时，为了保证检测激光偏振特性，在光路中设计可微调节的波片及偏振片结构，其采用工程塑料制作的小型化滑环结构，利用光路封装结构侧向的开口进行精细调节，并利用塑料顶丝固定调整结构。
本实施方式通过光虚拟磁场调制技术，替代了常用的原子磁力仪的射频线圈调制磁场技术，提高了原子磁力仪的信噪比，实现原子磁力仪对磁场的高灵敏度测量。采用射频线圈调制磁场技术的原子磁力仪的灵敏度仅能达到0.6pT/Hz1/2，且测试过程中易受射频线圈的信号干扰。经测算，采用该实施方式的原子磁力仪探头的原子磁力仪，其灵敏度≤0.1pT/Hz1/2，且测量过程中减少了探头内部的磁场干扰。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，包括：第一激光器、第一1/2波片、第一偏振分束棱镜、第一1/4波片、原子气室、第一光电探测器、第二激光器、第二1/2波片、第二偏振分束棱镜、第二1/4波片、半透半反镜、第二光电探测器、鉴频模块和PID反馈电路；
第一激光器射出的探测光通过第一1/2波片透射至第一偏振分束棱镜，第一偏振分束棱镜将探测光分为两束探测光，一束探测光通过第一1/4波片透射至原子气室内，另一束探测光反射至半透半反镜；
第二激光器射出的虚拟磁场控制光通过第二1/2波片透射至第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜将虚拟磁场控制光分为两束虚拟磁场控制光，一束虚拟磁场控制光通过第二1/4波片透射至原子气室内，另一束虚拟磁场控制光反射至半透半反镜；
半透半反镜将入射的探测光和虚拟磁场控制光进行叠加并反射至第二光电探测器的光敏面上，第二光电探测器将接收的光信号转变为电信号，第二光电探测器的电信号输出端与鉴频模块的电信号输入端相连，鉴频模块的鉴频信号输出端与PID反馈电路的鉴频信号输入端相连，PID反馈电路的反馈信号输出端与第二激光器的反馈信号输入端相连；第二激光器根据反馈信号射出虚拟磁场控制光，所述虚拟磁场控制光的激光频率锁定在距离铯原子光谱D1线共振频率失谐10GHz的频率上；
原子气室为玻璃腔体，该玻璃腔体内部填充有133Cs原子，133Cs原子在虚拟磁场控制光的照射下与探测光相互作用形成磁共振探测光，磁共振探测光入射至第一光电探测器的光敏面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，第一激光器和第二激光器均为VCSEL半导体激光器，第一激光器和第二激光器出射光的波长均为894nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，第一光电探测器和第二光电探测器的型号均为GT101，第一光电探测器输出的电信号为磁共振电信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，第一1/2波片透射的光为偏振状态探测光，第二1/2波片透射的光为偏振状态虚拟磁场控制光。
5.根据权利要求1所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，第一1/4波片透射的光为圆偏振探测光，第二1/4波片透射的光为圆偏振虚拟磁场控制光。
6.根据权利要求1所述的一种基于光虚拟磁场技术的原子磁力仪探头，其特征在于，原子磁力仪探头的封装材料包括聚四氟乙烯、陶瓷和ABS塑料，封装材料均为无磁性材料。
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