CN112485733A - 一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，包括探头骨架、光学结构、原子气室固定结构和绕线槽；探头骨架为单向中空结构，将光学结构和原子气室结构置于探头骨架内部；光学结构包括准直器、圆偏振片和光纤耦合器，并保证光路共轴性；原子气室固定结构使原子气室位于探头骨架中心，使用聚酰亚胺材料，并通过增加热传导路程降低原子气室热耗散，提升原子气室保温效果；探头骨架外部开有三组绕线槽绕制漆包线，构成三组正交的亥姆霍兹线圈，用于补偿磁场和产生调制磁场；本发明与现有技术相比结构简单，易于装配，易小型化和工程化，并易实现探头无磁性。

Description

一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置

技术领域

本发明涉及一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，属于量子精密磁场测量技术领域。

背景技术

目前，基于可靠性、体积和成本等方面因素考虑，磁通门磁力仪占据高精度三轴磁场测量领域的主导地位。然而，相比于磁通门磁力仪，基于SERF(Spin-ExchangeRelaxation-Free,无自旋交换碰撞弛豫)态效应的高精度三轴矢量原子磁力仪具有灵敏度高、精确度高和功耗低等特性，已成为量子传感器的研究重点和热点。

基于SERF态效应的三轴矢量原子磁力仪性能受限于原子气室无磁加热、小型化探头无磁封装和三轴精密磁场等关键技术。所以，设计一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置对于磁力仪灵敏度、精度和功耗等方面提升至关重要。同时，在地磁台站监测和空间磁测量等领域具有潜在应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置，该装置能够降低磁力仪功耗、提高磁力仪测量精度，并且结构更紧凑、更易于装配以及更易实现小型化。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，包括探头骨架，原子气室固定结构，光学结构，绕线槽。探头骨架采用长方体单轴中空结构，光学结构和原子气室固定结构置于探头骨架内部，绕线槽设置于探头骨架外表面。

原子气室固定结构包括原子气室，第一夹持结构，第二夹持结构，第一夹持结构和第二夹持结构分别位于原子气室两侧，使原子气室固定于探头骨架中心。原子气室固定结构设计在满足气室稳定下，最大程度减少与原子气室的接触面，并增大热传导路程降低原子气室热耗散。

光学结构包括准直器，圆偏振片，耦合器和筒状固定结构；筒状固定结构紧贴第一夹持结构固定在探头骨架中；准直器卡在筒状固定结构一端，圆偏振片置于筒状固定结构另一端；耦合器卡在探头骨架一端；发散的线偏振激光依次经准直器、圆偏振片，变为准直的圆偏振激光，到达原子气室后，极化碱金属原子自旋，最后通过耦合器将与原子气室作用后包含磁场信息的激光耦合至光纤内，实现磁场三轴测量。

进一步的，第一夹持结构和第二夹持结构为横截面呈S形的圆柱形结构，达到增加热传导路程降低原子气室热耗散的效果。

进一步的，原子气室固定结构还包括无磁加热片，无磁热敏电阻和导线槽，无磁加热片粘贴包裹原子气室，无磁热敏电阻紧贴在加热片上，实现原子气室无磁加热和温度精密控制,无磁加热片和无磁热敏电阻通过导线槽与外部控制器进行连接。

进一步的，绕线槽为三组，分别绕制三轴磁场线圈，构成三组正交亥姆霍兹线圈，用于产生补偿磁场和调制磁场。

进一步的，探头骨架使用陶瓷无磁材料。

进一步的，光学结构还包括第一卡环，第二卡环，第三卡环，第四卡环和第一垫片，所述筒状固定结构通过第四卡环紧贴第一夹持结构固定在探头骨架中；准直器通过第一卡环卡在筒状固定结构一端，圆偏振片两侧各放置第一垫片，置于筒状固定结构另一端，并利用第三卡环保证其稳定性；耦合器通过第二卡环卡在探头骨架一端；

第一卡环，第二卡环，第三卡环，第四卡环及筒状固定结构为中心对称结构，采用无磁材料，优选地为无磁铝合金材料。

进一步的，第一垫片采用无磁材料，优选地为聚酰亚胺。

进一步的，通过旋转筒状固定结构，改变激光线偏振方向与圆偏振片中起偏器快慢轴之间的夹角，实现激光功率的连续性调节，提高原子数密度。

进一步的，第一夹持结构和第二夹持结构采用耐高温、导热率低的无磁材料，优选地为聚酰亚胺。

进一步的，三组绕线槽深度不一致，能增大每组绕制线圈之间的接触电阻，提高线圈产生磁场精度。

进一步的，小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置还包括第二垫片，第二垫片采用橡胶材料，置于筒状固定结构与探头骨架之间，通过与第一卡环共同作用，使原子气室固定结构和光学结构固定更加稳定，保证光路稳定性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置，通过探头内部光学结构和原子气室固定结构的具体设计，利用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，便于实现小型化原子磁力仪；

(2)本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置，通过设计探头骨架外部三组不同大小的线槽绕制亥姆霍兹线圈，提高原子磁力仪的测量精度；

(3)本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置，将原子气室夹持结构设计为横截面呈S形的圆柱形结构，减少了与原子气室接触面并且增加热传导路程，降低原子磁力仪的功耗；

(4)本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置，具有灵敏度高、精度高以及功耗低等特性，对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为本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头装置截面示意图；

图2为本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头骨架三维立体图；

图3为本发明的一种小型化高精度矢量原子磁力仪探头光路和原子气室固定结构三维立体示意图；

其中，1为探头骨架；2为原子气室固定结构，21为原子气室，22为第一夹持结构，23为第二夹持结构，24为无磁加热片，25为热敏电阻，26导线槽，3为光学结构，31为准直器，32为圆偏振片，33为耦合器，34为第一卡环，35为第二卡环，36为第三卡环，37为第四卡环，38为筒状固定结构，39为第一垫片；4为绕线槽，5为第二垫片。

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。

本发明的目的是本发明提供一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置。首先，该装置利用光纤导引和光纤耦合的方式减少探头体积和降低激光器等器件剩余磁场对磁力仪性能的影响，实现原子磁力仪的小型化和无磁化；其次，巧妙地增加热传导路程设计了原子气室夹持结构，降低了磁力仪功耗；再者，准直器、圆偏振片、原子气室、耦合器等器件通过垫片和卡环固定在探头骨架内；最后，探头骨架表面设计了三组用于制备亥姆霍兹线圈的绕线槽，绕线槽深度不相等能减少线圈之间接触，使三轴线圈产生的磁场具有更高精度。该小型化三轴矢量原子磁力仪装置具有精度高、功耗低和结构紧凑等优点。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。

参见图1～3，本发明提出的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，包括探头骨架1，原子气室固定结构2，光学结构3，绕线槽4。探头骨架1采用长方体单轴中空结构，光学结构3和原子气室固定结构2置于探头骨架内部，原子气室21中心与探头骨架1中心重合，绕线槽4设置于探头骨架1外表面。

原子气室固定结构2包括原子气室21，第一夹持结构22，第二夹持结构23，第一夹持结构22和第二夹持结构23分别位于原子气室21两侧，使原子气室21固定于探头骨架1中心。原子气室固定结构设计在满足气室稳定下，最大程度减少与原子气室的接触面，并增大热传导路程降低原子气室热耗散。

光学结构3包括准直器31，圆偏振片32，耦合器33和筒状固定结构38；筒状固定结构38紧贴第一夹持结构22固定在探头骨架1中；准直器31卡在筒状固定结构38一端，圆偏振片32置于筒状固定结构38另一端；耦合器33卡在探头骨架一端；发散的线偏振激光依次经准直器31、圆偏振片32，变为准直的圆偏振激光，到达原子气室21后，极化碱金属原子自旋，最后通过耦合器33将与原子气室21作用后包含磁场信息的激光耦合至光纤内，实现磁场三轴测量。

光学结构3还包括第一卡环34，第二卡环35，第三卡环36，第四卡环37和第一垫片39，所述筒状固定结构38通过第四卡环37紧贴第一夹持结构22固定在探头骨架1中；准直器通过第一卡环34卡在筒状固定结构38一端，圆偏振片32两侧各放置第一垫片39，置于筒状固定结构38另一端，并利用第三环36保证其稳定性；耦合器33通过第二卡环35卡在探头骨架一端。发散的线偏振激光依次经准直器31、圆偏振片32，变为准直的圆偏振激光，到达原子气室21后，极化碱金属原子自旋，最后通过耦合器33将与原子气室21作用后包含磁场信息的激光耦合至光纤内，实现磁场三轴测量。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，第一夹持结构22和第二夹持结构23为横截面呈S形的圆柱形结构，达到增加热传导路程降低原子气室21热耗散的效果。

进一步的，原子气室固定结构2还包括无磁加热片24，无磁热敏电阻25和导线槽26，无磁加热片24粘贴包裹原子气室，无磁热敏电阻25紧贴在加热片24上，实现原子气室无磁加热和温度精密控制,无磁加热片24和无磁热敏电阻25通过导线槽26与外部控制器进行连接。所述无磁加热片24是用于加热原子气室21，提高原子数密度，保证原子系统处于SERF态，所述无磁热敏电阻25是用于监测原子气室21实时温度，实现气室温度的精密稳定控制。

进一步的，绕线槽4为三组，分别绕制三轴磁场线圈，构成三组正交亥姆霍兹线圈，用于产生补偿磁场和调制磁场。

进一步的，探头骨架1使用陶瓷无磁材料。

进一步的，第一卡环34，第二卡环35，第三卡环36，第四卡环37，筒状固定结构38，中心对称结构，采用无磁材料，优选地为无磁铝合金材料。

进一步的，第一垫片39采用无磁材料，优选地为聚酰亚胺。

进一步的，通过旋转筒状固定结构38，改变激光线偏振方向与圆偏振片32中起偏器快慢轴之间的夹角，实现激光功率的连续性调节，提高原子数密度。

进一步的，第一夹持结构22和第二夹持结构23采用耐高温、导热率低的无磁材料，优选地为聚酰亚胺。

进一步的，三组绕线槽2深度不一致，能增大每组绕制线圈之间的接触电阻，提高线圈产生磁场精度。

进一步的，小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置筒状固定结构5和探头骨架01存在加工误差，在二者之间放置垫片5，垫片5采用橡胶材料，置于筒状固定结构38与探头骨架1之间，通过与第一卡环34共同作用，保证原子气室21、准直器31和圆偏振片32等器件在探头骨架1内的稳定性，使原子气室固定结构2和光学结构3固定更加稳定，保证光路稳定。

在本实施例中，高精度三轴矢量原子磁力仪实现磁场精密探测主要是磁致进动效应、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。本发明实现三轴磁场精密测量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。

本实施例中小型化高精度三轴矢量原子磁力仪工作过程如下：

1)所述无磁加热片24粘贴包裹在原子气室21上，将无磁热敏电阻25贴附在无磁加热片24上；第一夹持结构22和第二夹持结构23放置原子气室21两侧，整体置于探头骨架1内，保证原子气室21中心和探头骨架1中心重合；

2)准直器31通过第一卡环34固定在筒状结构38中，所述圆偏振片32前后两侧放置垫片第一垫片39，通过第三36卡环固定在筒状结构38另一侧；

3)所述筒状结构38与原子气室固定结构紧挨放置在探头骨架1中，筒状结构38与探头骨架1之间放置橡胶第二垫片5，通过第一卡环34固定；

4)耦合器33通过第二卡环35固定在探头骨架1另一端；

5)三轴磁场线圈是通过在探头骨架1表面的绕线槽4绕制线圈，产生剩余补偿磁场和调制磁场；

6)所述无磁加热片24和无磁热敏电阻25驱动电路实现原子气室21加热，提高原子数密度，保证原子系统处于SERF态；

7)准直器31和圆偏振片32将发散的线偏振光转化为准直的圆偏振激光，与原子气室21作用，极化碱金属原子；

8)三轴磁场线圈通过外部驱动电路，产生静磁场，补偿环境剩余磁场，保证原子系统处于SERF态；所述三轴磁场线圈通过外部驱动电路，产生调制磁场，对原子气室21内原子自旋三轴方向进行调制；

9)耦合器33将与原子气室21作用后的激光耦合至光纤内，用于磁场信号的解调，从而实现三轴磁场信号的精密测量。

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 (11)

1.一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，包括探头骨架(1)，原子气室固定结构(2)，光学结构(3)，绕线槽(4)；

探头骨架(1)采用长方体单轴中空结构，光学结构(3)和原子气室固定结构(2)置于探头骨架(1)内部，绕线槽(4)设置于探头骨架(1)外表面；

原子气室固定结构(2)包括原子气室(21)，第一夹持结构(22)，第二夹持结构(23)，第一夹持结构(22)和第二夹持结构(23)分别位于原子气室(21)两侧，通过夹持使原子气室(21)固定于探头骨架(1)中心；

光学结构(3)包括准直器(31)，圆偏振片(32)，耦合器(33)和筒状固定结构(38)；筒状固定结构(38)紧贴第一夹持结构(22)固定在探头骨架(1)中；准直器(31)卡在筒状固定结构(38)一端，圆偏振片(32)置于筒状固定结构(38)另一端；耦合器(33)卡在探头骨架一端；发散的线偏振激光依次经准直器(31)、圆偏振片(32)，变为准直的圆偏振激光，到达原子气室(21)后，极化碱金属原子自旋，最后通过耦合器(33)将与原子气室(21)作用后包含磁场信息的激光耦合至光纤内，实现磁场三轴测量。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，第一夹持结构(22)和第二夹持结构(23)为横截面呈S形的圆柱形结构，达到增加热传导路程降低原子气室(21)热耗散的效果。

3.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，原子气室固定结构(2)还包括无磁加热片(24)，无磁热敏电阻(25)和导线槽(26)，无磁加热片(24)包裹原子气室，无磁热敏电阻(25)紧贴在加热片(24)上，实现原子气室无磁加热和温度精密控制,无磁加热片(24)和无磁热敏电阻(25)通过导线槽(26)与外部控制器进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，绕线槽(4)为三组，分别绕制三轴磁场线圈，构成三组正交亥姆霍兹线圈，用于产生补偿磁场和调制磁场。

5.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，探头骨架(1)使用陶瓷无磁材料。

6.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，还包括第一卡环(34)，第二卡环(35)，第三卡环(36)，第四卡环(37)和第一垫片(39)，所述筒状固定结构(38)通过第四卡环(37)紧贴第一夹持结构(22)固定在探头骨架(1)中；准直器(31)通过第一卡环(34)卡在筒状固定结构(38)一端，圆偏振片(32)两侧各放置第一垫片(39)，置于筒状固定结构(38)另一端，并利用第三卡环(36)保证其稳定性；耦合器(33)通过第二卡环(35)卡在探头骨架一端；

第一卡环(34)，第二卡环(35)，第三卡环(36)，第四卡环(37)及筒状固定结构(38)为中心对称结构，采用无磁材料；所述无磁材料为无磁铝合金材料。

7.根据权利要求6所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，第一垫片(39)采用无磁材料；所述无磁材料为聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，通过旋转筒状固定结构(38)，改变激光线偏振方向与圆偏振片(32)中起偏器快慢轴之间的夹角，实现激光功率的连续性调节，提高原子数密度。

9.根据权利要求1或2任一项所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，第一夹持结构(22)和第二夹持结构(23)采用无磁材料；所述无磁材料为聚酰亚胺。

10.根据权利要求4所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，所述三组绕线槽(4)深度不一致，增大每组绕制线圈之间的接触电阻，提高线圈产生磁场精度。

11.根据权利要求1-8任一项所述的一种小型化高精度三轴矢量原子磁力仪探头装置，其特征在于，还包括第二垫片(5)，第二垫片(5)采用橡胶材料，置于筒状固定结构(38)与探头骨架(1)之间，保证光路稳定性。

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