CN112557971A - 一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，属于原子磁强计技术领域。高灵敏度激光光泵磁强计包括VCSEL激光器、λ/2波片、第一λ/4波片、87Rb原子气室、射频线圈、第二λ/4波片、偏振分束器PBS、第一光电探测器、第二光电探测器、激光伺服、电流源、射频伺服和频率发生器。本发明提出的设计方法采用波片组合，用得到的椭圆偏振激光与原子相互作用获取磁共振信号，再通过偏振选择探测，将未发生磁共振的偏振激光成分作为激光器锁频成分，将发生磁共振的偏振激光成分作为磁共振锁定信号，有效抑制了透射激光的AM噪声和FM‑AM噪声，从而提高了激光光泵磁强计的探测灵敏度。

Description

一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法
技术领域
本发明属于原子磁强计技术领域，涉及一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法。
背景技术
光泵磁强计具有探测灵敏度高的特点，在磁性目标探测、空间物理、生物医学、地质勘探等军民领域有着重要应用。激光光泵磁强计是一种利用激光为光源，通过激光与原子相互作用，探测原子在磁场中的塞曼效应，从而实现对外磁场场强感知的装置。利用激光为光源的光泵磁强计功耗可以做到1W以内，灵敏度可优于5pT/Hz1/2。
在外磁场下，原子的塞曼效应使得能级间的裂距随外界磁场的变化而变化。以87Rb原子为例，52S1/2基态在外磁场下发生塞曼分裂，分裂后相邻能级间对应的拉莫尔频率fL与待测磁场B的关系可近似为fL＝γB，其中γ为87Rb原子的磁旋比。利用波长为795nm(对应87Rb原子D1线)圆偏振激光对87Rb原子进行抽运，原子吸收光子被极化并达到饱和，饱和后原子不在吸收光子。当在原子外加上一个与拉莫尔频率fL相等的射频磁场时，发生光磁共振，原子被退极化并重新吸收光子，激光透射光光强变弱，即得到磁共振信号。通过磁共振信号可以测得原子的拉莫尔频率fL，从而得到待测磁场B的大小。
传统的激光光泵磁强计采用单一圆偏振光与原子相互作用来获取磁共振信号，单一圆偏振激光中部分激光被原子吸收用作抽运光，但激光未完全被原子吸收，未被吸收的透射激光则作为光本底被检测到，因此获取的磁共振信号本底噪声大。特别是对于VCSEL激光器，其激光光强噪声(AM噪声)和频率噪声转化为的光强噪声(FM-AM噪声)均会导致信噪比降低，降低了激光光泵磁强计的探测灵敏度。
因此，目前亟需一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，能够减小激光光泵磁强计的激光光强噪声(AM噪声)和频率噪声转化为光强噪声(FM-AM噪声)，提高激光光泵磁强计的探测灵敏度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，采用波片组合，用得到的椭圆偏振激光与原子相互作用获取磁共振信号，再通过偏振选择探测，将未发生磁共振的偏振激光成分作为激光器锁频成分，将发生磁共振的偏振激光成分作为磁共振锁定信号，有效抑制了透射激光的AM噪声和FM-AM噪声，从而提高了激光光泵磁强计的探测灵敏度。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提出一种高灵敏度激光光泵磁强计，包括：VCSEL激光器、λ/2波片、第一λ/4波片、87Rb原子气室、射频线圈、第二λ/4波片、偏振分束器PBS、第一光电探测器、第二光电探测器、激光伺服、电流源、射频伺服和频率发生器；λ为VCSEL激光器发射的原始线偏振激光的波长。
VCSEL激光器安装在光路的最左侧，λ/2波片、第一λ/4波片、87Rb原子气室、第二λ/4波片、偏振分束器PBS和第二光电探测器依次安装在VCSEL激光器右侧，第一光电探测器安装在偏振分束器PBS正上方，射频线圈外绕在87Rb原子气室外部。
第一光电探测器与激光伺服连接，激光伺服与电流源连接，电流源与VCSEL激光器连接。
第二光电探测器与射频伺服连接，射频伺服与频率发生器连接，频率发生器与射频线圈连接。
进一步的，激光伺服的功能为：
当VCSEL激光器输出的激光的频率刚好等于87Rb原子D1线对应频率时，激光经过87Rb原子气室时会被吸收，得到多普勒吸收信号，第一光电探测器获取多普勒吸收信号并传输给激光伺服，激光伺服通过锁相放大技术，生成激光调节信号，输入至电流源，用于调节电流源产生针对VCSEL激光器的驱动电流，将VCSEL激光器输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上。
进一步的，射频伺服的功能为：
当频率发生器的发射频率等于87Rb原子在磁场中的拉莫尔频率时，进入87Rb原子气室的激光与87Rb原子相互作用发生磁共振，此时激光的偏振方向也因为法拉第效应而发生偏转，第二光电探测器获取磁共振信号的偏振分量并传输给射频伺服，射频伺服通过锁相放大技术，生成射频调节信号并输入至频率发生器；射频调节信号调节频率发生器输出的射频信号的频率，实现对磁共振信号的跟踪和锁定。
进一步的，采用一个恒温控制模块来进行恒温控制，恒温控制模块包括电桥和PID控制单元以及加热器件。
本发明提出一种高灵敏度激光光泵磁强计设计方法，针对如上任一所述的高灵敏度激光光泵磁强计进行设计，设计方法包括如下步骤：
步骤1、为了保证87Rb原子气室的正常工作，将87Rb原子气室加热到设定温度，并对其进行恒温控制。
步骤2、为了保证VCSEL激光器的正常工作，对VCSEL激光器加热，并进行恒温控制；电流源输出VCSEL激光器的驱动电流，调节VCSEL激光器的驱动电流，同时根据原子对激光的吸收作用实现VCSEL激光器输出激光的频率锁定，将其频率锁定在87Rb原子的D1线对应的激光频率上。
步骤3、在VCSEL激光器后面放置λ/2波片，原始线偏振激光通过λ/2波片得到一束线偏振激光，通过旋转λ/2波片晶轴的方向来调节VCSEL激光器输出的原始线偏振激光的偏振方向。
步骤4、先撤去第一λ/4波片和第二λ/4波片，并在未发生磁共振时旋转λ/2波片晶轴，使原始线偏振激光通过偏振分束器PBS后全部被反射。
步骤5、在λ/2波片后，87Rb原子气室前放置第一λ/4波片，并使第一λ/4波片晶轴与λ/2波片晶轴的夹角为22.5°，此时原始线偏振激光经过第一λ/4波片后变为椭圆偏振激光，椭圆偏振激光经过87Rb原子气室并与87Rb原子相互作用。
步骤6、在87Rb原子气室后，偏振分束器PBS前放置第二λ/4波片，并使第二λ/4波片的晶轴与第一λ/4波片的晶轴相互垂直。
步骤7、未发生磁共振时，所述椭圆偏振激光经过第二λ/4波片后还原为线偏振激光，第一光电探测器探测到线偏振激光的光强，将其作为激光器锁频信号传输给激光伺服，激光伺服采用锁相放大技术，生成激光调节信号，用于调节VCSEL激光器的驱动电流，将其输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上。
步骤8、先扫描频率发生器的频率，当其输出频率刚好等于87Rb原子在待测磁场下的拉莫尔频率时，经过87Rb原子气室的椭圆偏振激光的偏振状态发生变化，变化后的椭圆偏振激光经过第二λ/4波片后，在与线偏振激光的偏振方向垂直的方向得到一个偏振分量，偏振分量由第二光电探测器获取并传输给射频伺服。
步骤9、当频率发生器的输出频率到达拉莫尔频率后，停止频率发生器的频率扫描，射频伺服接收偏振分量，通过锁相放大技术，生成射频调节信号，用于调节频率发生器输出的射频信号的频率，使其锁定在磁共振的拉莫尔频率上，并实时进行频率的锁定及跟踪。
有益效果：本发明提出了一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，采用波片组合，用得到的椭圆偏振激光与原子相互作用获取磁共振信号，再通过偏振选择探测，将未发生磁共振的偏振激光成分作为激光器锁频成分，将发生磁共振的偏振激光成分作为磁共振锁定信号，有效抑制了透射激光的AM噪声和FM-AM噪声，从而提高了激光光泵磁强计的探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的方法实施方式图。
图2为本发明在未磁共振时实现高灵敏度激光光泵磁强计的方法光路图。
图3为本发明在磁共振时实现高灵敏度激光光泵磁强计的方法光路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出一种高灵敏度激光光泵磁强计，包括：VCSEL激光器1、λ/2波片2、第一λ/4波片3、87Rb原子气室4、射频线圈5、第二λ/4波片6、偏振分束器PBS7、第一光电探测器8、第二光电探测器9、激光伺服10、电流源11、射频伺服12和频率发生器13；λ为VCSEL激光器1发射的原始线偏振激光的波长。
如图1所示，VCSEL激光器1安装在光路的最左侧，λ/2波片2、第一λ/4波片3、87Rb原子气室4、第二λ/4波片6、偏振分束器PBS7和第二光电探测器9依次安装在VCSEL激光器1右侧，第一光电探测器8安装在偏振分束器PBS7正上方，射频线圈5外绕在87Rb原子气室4外部。
第一光电探测器与激光伺服10连接，激光伺服10与电流源11连接，电流源11与VCSEL激光器1连接；第二光电探测器9与射频伺服12连接，射频伺服12与频率发生器13连接，频率发生器13与射频线圈5连接。
本发明实施例中，激光伺服10的功能为：当VCSEL激光器1输出的激光的频率刚好等于87Rb原子D1线对应频率时，激光经过87Rb原子气室4时会被吸收，得到多普勒吸收信号，第一光电探测器8获取多普勒吸收信号并传输给激光伺服10，激光伺服10通过锁相放大技术，生成激光调节信号，输入至电流源11，用于调节电流源11产生针对VCSEL激光器1的驱动电流，将VCSEL激光器1输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上。
本发明实施例中，射频伺服12的功能为：当频率发生器13的发射频率等于87Rb原子在磁场中的拉莫尔频率时，进入87Rb原子气室4的激光与87Rb原子相互作用发生磁共振，此时激光的偏振方向也因为法拉第效应而发生偏转，第二光电探测器9获取磁共振信号的偏振分量并传输给射频伺服12，射频伺服12通过锁相放大技术，生成射频调节信号输入至频率发生器13；射频调节信号调节频率发生器13输出的射频信号的频率，实现对磁共振信号的跟踪和锁定。
本发明实施例中，采用一个恒温控制模块来进行恒温控制，恒温控制模块包括电桥和PID控制单元以及加热器件。恒温控制模块通过电桥对87Rb原子气室4和VCSEL激光器1的温度进行采集，再通过PID算法控制交流加热信号的幅值，从而实现对VCSEL激光器1和87Rb原子气室4的恒温控制。
本发明提出一种高灵敏度激光光泵磁强计设计方法，针对如上任一所述的高灵敏度激光光泵磁强计进行设计，设计方法包括如下步骤：
步骤1、为了保证87Rb原子气室4的正常工作，将87Rb原子气室4加热到设定温度，并对其进行恒温控制。
步骤2、为了保证VCSEL激光器1的正常工作，对VCSEL激光器1加热，并进行恒温控制；电流源11输出VCSEL激光器1的驱动电流，调节VCSEL激光器1的驱动电流，同时根据原子对激光的吸收作用实现VCSEL激光器1输出激光的频率锁定，将其频率锁定在87Rb原子的D1线对应的激光频率上。
步骤3、在VCSEL激光器1后面放置λ/2波片2，原始线偏振激光通过λ/2波片2得到一束线偏振激光，通过旋转λ/2波片2晶轴的方向来调节VCSEL激光器1输出的原始线偏振激光的偏振方向。
步骤4、先撤去第一λ/4波片3和第二λ/4波片6，并在未发生磁共振时旋转λ/2波片2晶轴，使原始线偏振激光通过偏振分束器PBS7后全部被反射。此时第一光电探测器8探测信号最强，第二光电探测器9探测信号最弱。未发生磁共振时的光路如图2所示。
步骤5、在λ/2波片2后，87Rb原子气室4前放置第一λ/4波片3，并使第一λ/43波片晶轴与λ/2波片2晶轴的夹角为22.5°，此时原始线偏振激光经过第一λ/4波片3后变为椭圆偏振激光，椭圆偏振激光经过87Rb原子气室4并与87Rb原子相互作用，以产生磁共振。
步骤6、在87Rb原子气室4后，偏振分束器PBS7前放置第二λ/4波片6，并使第二λ/4波片6的晶轴与第一λ/4波片3的晶轴相互垂直。
步骤7、未发生磁共振时，椭圆偏振激光经过第二λ/4波片6后还原为线偏振激光，第一光电探测器8探测到线偏振激光的光强，将其作为激光器锁频信号传输给激光伺服10，激光伺服10采用锁相放大技术，生成激光调节信号，用于调节VCSEL激光器1的驱动电流，将其输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上。
步骤8、先扫描频率发生器13的频率，当其输出频率刚好等于87Rb原子在待测磁场下的拉莫尔频率时，经过87Rb原子气室4的椭圆偏振激光的偏振状态发生变化，变化后的椭圆偏振激光经过第二λ/4波片6后，在与线偏振激光偏振方向垂直的方向得到一个偏振分量，偏振分量由第二光电探测器9获取并传输给射频伺服12。
步骤9、当频率发生器13的输出频率到达拉莫尔频率后，停止频率发生器13的频率扫描，射频伺服12接收偏振分量，通过锁相放大技术，生成射频调节信号，用于调节频率发生器13输出的射频信号的频率，使其锁定在磁共振的拉莫尔频率上，并实时进行频率的锁定及跟踪。发生磁共振的光路如图3所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，包括：VCSEL激光器(1)、λ/2波片(2)、第一λ/4波片(3)、87Rb原子气室(4)、射频线圈(5)、第二λ/4波片(6)、偏振分束器PBS(7)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(9)、激光伺服(10)、电流源(11)、射频伺服(12)和频率发生器(13)；λ为VCSEL激光器(1)发射的原始线偏振激光的波长；
所述VCSEL激光器(1)安装在光路的最左侧，所述λ/2波片(2)、所述第一λ/4波片(3)、所述87Rb原子气室(4)、所述第二λ/4波片(6)、所述偏振分束器PBS(7)和所述第二光电探测器(9)依次安装在所述VCSEL激光器(1)右侧，所述第一光电探测器(8)安装在所述偏振分束器PBS(7)正上方，所述射频线圈(5)外绕在所述87Rb原子气室(4)外部；
所述第一光电探测器(8)与所述激光伺服(10)连接，所述激光伺服(10)与所述电流源(11)连接，所述电流源(11)与所述VCSEL激光器(1)连接；
所述第二光电探测器(9)与所述射频伺服(12)连接，所述射频伺服(12)与所述频率发生器(13)连接，所述频率发生器(13)与所述射频线圈(5)连接。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，所述激光伺服(10)的功能为：
当所述VCSEL激光器(1)输出的激光的频率刚好等于87Rb原子D1线对应频率时，激光经过所述87Rb原子气室(4)时会被吸收，得到多普勒吸收信号，所述第一光电探测器(8)获取多普勒吸收信号并传输给所述激光伺服(10)，所述激光伺服(10)通过锁相放大技术，生成激光调节信号，输入至所述电流源(11)，用于调节所述电流源(11)产生针对所述VCSEL激光器(1)的驱动电流，将所述VCSEL激光器(1)输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上。
3.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，所述射频伺服(12)的功能为：
当频率发生器(13)的发射频率等于87Rb原子在磁场中的拉莫尔频率时，进入所述87Rb原子气室(4)的激光与87Rb原子相互作用发生磁共振，此时激光的偏振方向也因为法拉第效应而发生偏转，所述第二光电探测器(9)获取磁共振信号的偏振分量并传输给所述射频伺服(12)，所述射频伺服(12)通过锁相放大技术，生成射频调节信号并输入至所述频率发生器(13)；所述射频调节信号调节所述频率发生器(13)输出的射频信号的频率，实现对磁共振信号的跟踪和锁定。
4.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，采用一个恒温控制模块来进行恒温控制，所述恒温控制模块包括电桥和PID控制单元以及加热器件。
5.一种高灵敏度激光光泵磁强计设计方法，其特征在于，针对如权利要求1-4任一所述的高灵敏度激光光泵磁强计进行设计，设计方法包括如下步骤：
步骤1、为了保证所述87Rb原子气室(4)的正常工作，将所述87Rb原子气室(4)加热到设定温度，并对其进行恒温控制；
步骤2、为了保证所述VCSEL激光器(1)的正常工作，对所述VCSEL激光器(1)加热，并进行恒温控制；电流源(11)输出所述VCSEL激光器(1)的驱动电流，调节所述VCSEL激光器(1)的驱动电流，同时根据原子对激光的吸收作用实现所述VCSEL激光器(1)输出激光的频率锁定，将其频率锁定在87Rb原子的D1线对应的激光频率上；
步骤3、在所述VCSEL激光器(1)后面放置所述λ/2波片(2)，所述原始线偏振激光通过所述λ/2波片(2)得到一束线偏振激光，旋转所述λ/2波片(2)晶轴的方向来调节所述VCSEL激光器(1)输出的原始线偏振激光的偏振方向；
步骤4、先撤去所述第一λ/4波片(3)和所述第二λ/4波片(6)，并在未发生磁共振时旋转所述λ/2波片(2)晶轴，使原始线偏振激光通过所述偏振分束器PBS(7)后全部被反射；
步骤5、在所述λ/2波片(2)后，所述87Rb原子气室(4)前放置所述第一λ/4波片(3)，并使所述第一λ/4波片(3)晶轴与所述λ/2波片(2)晶轴的夹角为22.5°，此时原始线偏振激光经过所述第一λ/4波片(3)后变为椭圆偏振激光，椭圆偏振激光经过所述87Rb原子气室(4)并与87Rb原子相互作用；
步骤6、在所述87Rb原子气室(4)后，偏振分束器PBS(7)前放置所述第二λ/4波片(6)，并使所述第二λ/4波片(6)的晶轴与所述第一λ/4波片(3)的晶轴相互垂直；
步骤7、未发生磁共振时，所述椭圆偏振激光经过所述第二λ/4波片(6)后还原为线偏振激光，第一光电探测器(8)探测到所述线偏振激光的光强，将其作为激光器锁频信号传输给所述激光伺服(10)，所述激光伺服(10)采用锁相放大技术，生成激光调节信号，用于调节所述VCSEL激光器(1)的驱动电流，将其输出激光频率锁定在87Rb原子D1线对应的频率上；
步骤8、先扫描所述频率发生器(13)的频率，当其输出频率刚好等于87Rb原子在待测磁场下的拉莫尔频率时，经过所述87Rb原子气室(4)的所述椭圆偏振激光的偏振状态发生变化，变化后的椭圆偏振激光经过所述第二λ/4波片(6)后，在与所述线偏振激光的偏振方向垂直的方向得到一个偏振分量，所述偏振分量由所述第二光电探测器(9)获取并传输给所述射频伺服(12)；
步骤9、当所述频率发生器(13)的输出频率到达拉莫尔频率后，停止所述频率发生器(13)的频率扫描，所述射频伺服(12)接收所述偏振分量，通过锁相放大技术，生成射频调节信号，用于调节所述频率发生器(13)输出的射频信号的频率，使其锁定在磁共振的拉莫尔频率上，并实时进行频率的锁定及跟踪。
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