CN112731226B - 基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制方法 - Google Patents

基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置及方法，激光器产生的光依次经过柱面透镜一、二的整形后，经λ/2波片和偏振分光棱镜后进行分束，一束经过滤光片将光强衰减后到达光电探测器一，另一束经起偏器后通过光纤耦合头依次进入位于磁屏蔽桶内的λ/4波片、光阑，然后照射原子气室，透射出气室的光束受到原子自旋进动影响，线偏振光的偏振轴发生偏转；输出后到达光电探测器二；两束光经过光电探测器一和二差分后，由光电二极管放大器进行放大，锁相放大器用于提取放大器输出信号中的频率信息。通过将原子气室前后的光束光强进行差分，从而消除原子无极化状态下背景光强的偏置和检测前后的光强噪声，提高原子磁强计的灵敏度。

Description

基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制方法
技术领域
本发明属于磁传感器领域，尤其涉及一种基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置和方法。
背景技术
随着生物、医疗等技术领域的深入发展，人们对极弱磁场的测量提出了更高的要求，不仅希望灵敏度更高、噪声更低，而且希望磁传感器功率较低，可以实现芯片化。目前，已能商业化应用的测量微弱磁场的磁传感器是超导量子干涉仪(SQUID)，但由于造价昂贵，且需要低温制冷，限制了其在更广泛领域的应用。而应用了量子技术的原子磁强计越来越受到关注，尤其是SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)态原子磁强计更是得到了大力发展，理论上，灵敏度可以达到aT/Hz1/2量级。
双光束原子磁强计的主要原理是用一束圆偏振光抽运碱金属原子，用线偏振光检测原子在磁场下的拉莫尔进动，当线偏振光通过碱金属气室后会发生线偏振面的偏转，通过检测线偏振光的转角从而实现外界磁场的测量；不同于双光束磁强计，单光束原子磁强计只用一束圆偏振抽运光通过碱金属原子气室，通过磁场调制原子自旋的方向从而实现对抽运光功率的调制，通过锁相放大器对光强信号进行频率解调获得磁场信息。这种方法容易受到光强波动的影响，并且存在一个大的输出光电信号偏置，使得信号进入光电放大器之前存在一个很强的背景偏置信号，影响光电放大器的放大能力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置，该装置能够将碱金属气室前后的光强进行差分，消除了背景光强的偏置，使输出信号在零点附近；提出的差分方法简单可行，将两个光强信号串联后，双端接地，从中间点引出差分信号，降低噪声。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置，该装置包括泵浦激光器、柱面透镜一、柱面透镜二、λ/2波片、偏振分光棱镜、滤光片、光电探测器一、光电二极管放大器、起偏器、光纤耦合头、λ/4波片、磁屏蔽桶、磁补偿和调制线圈、光阑、原子气室、函数发生器、锁相放大器、加热激光器、光电探测器二；
所述柱面透镜一、柱面透镜二、λ/2波片、偏振分光棱镜、起偏器共光轴；所述柱面透镜一的焦距大于所述柱面透镜二的焦距；
所述磁屏蔽桶用于为所述原子气室提供原子磁强计所需的弱磁场环境；
所述磁补偿和调制线圈用于补偿和控制所述磁屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场；
所述函数发生器置于磁屏蔽桶外部，通过线缆连接产生直流和交流磁场的磁补偿和调制线圈，为其供电；
所述加热激光器用于为所述原子气室加热；
所述光电探测器一、光电探测器二、光电二极管放大器的一端电连接，所述光电探测器一的另一端通过接地电阻一接地；所述光电探测器二的另一端通过接地电阻二接地；光电二极管放大器的另一端电连接所述锁相放大器；
所述泵浦激光器产生的泵浦光依次经过柱面透镜一、柱面透镜二的整形后，经λ/2波片和偏振分光棱镜的组合进行分束，其中一束经过滤光片将光强衰减后到达光电探测器一，另一束经起偏器起偏后通过所述光纤耦合头依次进入位于所述磁屏蔽桶内的λ/4波片、光阑，然后照射原子气室，透射出原子气室的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光的偏振轴发生偏转；输出后到达光电探测器二；两束光经过所述光电探测器一和光电探测器二差分后，由光电二极管放大器进行放大，所述锁相放大器用于提取光电二极管放大器输出信号中的频率信息。
进一步地，所述滤光片优选中性密度滤光片。
进一步地，所述起偏器优选格兰泰勒棱镜。
一种基于光强差分检测的单光束SERF态原子磁强计的偏置及噪声抑制方法，该方法基于上述的装置来实现，该方法具体包括如下步骤：
S1：首先通过函数发生器控制磁补偿和调制线圈产生的磁场补偿所述原子气室中的原子感受到的磁场，使原子气室感受到的磁场为零；
S2：调节泵浦激光器的功率使得电子自旋极化率达到50％，在此条件下，遮住进入光电探测器二的光，测量光电探测器一透射后的光电流，此时，探测得到的光电流即为系统偏置；
S3：打开进入光电探测器二的光，选择合适的衰减系数，使得进入光电二极管放大器的总电流为0，即实现探测系统偏置的消除，同时实现对抽运光系统共模功率噪声的抑制。
本发明的有益效果如下：
能够将碱金属气室前后的光强进行差分，消除了背景光强的偏置，使输出信号在零点附近，降低了光强波动对磁场测量结果的影响，为磁强计的小型化创造了条件。提出的差分方法简单可行，将两个光强信号串联后，双端接地，从中间点引出差分信号，降低噪声。
附图说明
图1为本发明的基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置的示意图；
图2为本发明的差分方法及信号采集的原理图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置，包括泵浦激光器1、柱面透镜一2、柱面透镜二3、λ/2波片4、偏振分光棱镜5、滤光片6、光电探测器一7、光电二极管放大器8、起偏器9、光纤耦合头10、λ/4波片11、磁屏蔽桶12、磁补偿和调制线圈13、光阑14、原子气室15、函数发生器16、锁相放大器17、加热激光器18、光电探测器二19；
其中，柱面透镜一2、柱面透镜二3、λ/2波片4、偏振分光棱镜5、起偏器9共光轴；所述柱面透镜一2的焦距大于所述柱面透镜二3的焦距；
所述磁屏蔽桶12用于为所述原子气室15提供原子磁强计所需的弱磁场环境；
所述磁补偿和调制线圈13用于补偿和控制所述磁屏蔽桶12内原子感受到的剩余磁场；
所述函数发生器16置于磁屏蔽桶12外部，通过线缆连接产生直流和交流磁场的调制线圈13为线圈13供电。
所述加热激光器18用于为所述原子气室15加热；
如图2所示，所述光电探测器一7、光电探测器二19、光电二极管放大器8的一端电连接，所述光电探测器一7的另一端通过接地电阻一20接地；所述光电探测器二19的另一端通过接地电阻二21接地；光电二极管放大器8的另一端电连接所述锁相放大器17；
所述泵浦激光器1产生的泵浦光依次经过柱面透镜一2、柱面透镜二3的整形后，经λ/2波片4和偏振分光棱镜5的组合进行分束，其中一束经过滤光片6将光强衰减后到达光电探测器一7，另一束经起偏器9起偏后通过所述光纤耦合头10依次进入位于所述磁屏蔽桶12内的λ/4波片11、光阑14，然后照射原子气室15，透射出原子气室15的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光的偏振轴发生偏转；输出后到达光电探测器二19；两束光经过所述光电探测器一7和光电探测器二19差分后，通过光电二极管放大器8进行放大，再通过所述锁相放大器17提取光电二极管放大器8输出信号中的频率信息，进而计算外界磁场信息。
本发明的基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置的原理如下；
碱金属原子被单光束激光抽运后在磁场中的运动过程可以用Block方程进行描述，沿着抽运方向的极化率的稳态解为：
Figure GDA0003715470740000041
其中，p0是稳态极化率；ΣBx，ΣBy与ΣBz分别为三轴磁场大小；R为碱金属原子抽运率和弛豫率的和，即总弛豫率，γ为电子旋磁比。
在未调制的状态下，圆偏振通过气室后，在原子吸收峰的位置，光电探测器二的输出可以写成：
U＝U0+ΔU≈U0+k·I0·OD·ΔPz·Exp(-OD(1-Pz)) (2)
其中，U0为透过气室后常值偏置光强信号进行放大后的电压值，OD为光学深度，k为光强信号放大为电压信号的比例系数，I0为入射光强，ΔPz为外界磁场作用下极化率在z方向的变化。抽运光输出与原子极化率的变化呈线性关系，通过解算极化率可以获得磁场信息。
在外界x方向或者y方向调制磁场的作用下，通过锁相放大器17进行一倍频解调，则z方向的极化率变化ΔPz和x方向的常值磁场呈现以下关系：
ΔPz＝k·Pz·γ·Bx/R (3)
联合公式(2)～(3)，可以将输出信号的电压值和外界输入的磁场Bx联系起来，并且呈现正比关系。如果将两个光电探测器进行差分后，就可以消除U0偏置信号，同时抑制共模噪声信号。
因此，本发明提出的基于光强度差分检测的单光束SERF态原子磁强计偏置及噪声抑制方法，该方法具体包括如下步骤：
S1：首先通过函数发生器16控制磁补偿和调制线圈13产生的磁场补偿原子气室15中的原子感受到的磁场，使原子气室15感受到的磁场为零；
S2：调节泵浦激光器1的功率使得电子自旋极化率达到50％，在此条件下，遮住进入光电探测器二19的光，测量光电探测器一7透射后的光电流，此时，探测得到的光电流即为系统偏置。
S3：打开进入光电探测器二19的光，选择合适的衰减系数，使得经滤光片6滤光后进入光电探测二极管放大器8的总电流为0，即实现探测系统偏置的消除，同时实现对抽运光系统共模功率噪声的抑制。
经过上述方法进行偏置和噪声抑制后，再进行磁场测量，即可提高磁场测量的精度。具体的测量过程如下：
根据进入光电二极管放大器8的电流大小选择合适的光电流到输出电压转换系数，将函数发生器16的输出信号同步信号输入到锁相放大器17的参考信号端，将光电二极管放大器8的输出电压信号接入锁相放大器17的输入信号，调节锁相放大器17的相位使得锁相放大器17的x输出最大。输入测量磁场，测量锁相放大器17的x输出电压大小，得到输入磁场和输出电压的系数即刻度系数，最终实现磁场的测量。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光强差分检测的单光束SERF态原子磁强计的偏置及噪声抑制方法，其特征在于，该方法通过基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制装置来实现，该装置包括泵浦激光器（1）、柱面透镜一（2）、柱面透镜二（3）、λ/2波片（4）、偏振分光棱镜（5）、滤光片（6）、光电探测器一（7）、光电二极管放大器（8）、起偏器（9）、光纤耦合头（10）、λ/4波片（11）、磁屏蔽桶（12）、磁补偿和调制线圈（13）、光阑（14）、原子气室（15）、函数发生器（16）、锁相放大器（17）、加热激光器（18）、光电探测器二（19）；
所述柱面透镜一（2）、柱面透镜二（3）、λ/2波片（4）、偏振分光棱镜（5）、起偏器（9）共光轴；所述柱面透镜一（2）的焦距大于所述柱面透镜二（3）的焦距；
所述磁屏蔽桶（12）用于为所述原子气室（15）提供原子磁强计所需的弱磁场环境；
所述磁补偿和调制线圈（13）用于补偿和控制所述磁屏蔽桶（12）内原子感受到的剩余磁场；
所述函数发生器（16）置于磁屏蔽桶（12）外部，通过线缆连接产生直流和交流磁场的磁补偿和调制线圈（13），为其供电；
所述加热激光器（18）用于为所述原子气室（15）加热；
所述光电探测器一（7）、光电探测器二（19）、光电二极管放大器（8）的一端电连接，所述光电探测器一（7）的另一端通过接地电阻一（20）接地；所述光电探测器二（19）的另一端通过接地电阻二（21）接地；光电二极管放大器（8）的另一端电连接所述锁相放大器（17）；
所述泵浦激光器（1）产生的泵浦光依次经过柱面透镜一（2）、柱面透镜二（3）的整形后，经λ/2波片（4）和偏振分光棱镜（5）的组合进行分束，其中一束经过滤光片（6）将光强衰减后到达光电探测器一（7），另一束经起偏器（9）起偏后通过所述光纤耦合头（10）依次进入位于所述磁屏蔽桶（12）内的λ/4波片（11）、光阑（14），然后照射原子气室（15），透射出原子气室（15）的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光的偏振轴发生偏转；输出后到达光电探测器二（19）；两束光经过所述光电探测器一（7）和光电探测器二（19）差分后，由光电二极管放大器（8）进行放大，所述锁相放大器（17）用于提取光电二极管放大器（8）输出信号中的频率信息；
所述偏置及噪声抑制方法具体包括如下步骤：
S1：首先通过函数发生器（16）控制磁补偿和调制线圈（13）产生的磁场补偿所述原子气室（15）中的原子感受到的磁场，使原子气室（15）感受到的磁场为零；
S2：调节泵浦激光器（1）的功率使得电子自旋极化率达到50%，在此条件下，遮住进入光电探测器二（19）的光，测量光电探测器一（7）透射后的光电流，此时，探测得到的光电流即为系统偏置；
S3：打开进入光电探测器二（19）的光，选择合适的衰减系数，使得进入光电二极管放大器（8）的总电流为0，即实现探测系统偏置的消除，同时实现对抽运光系统共模功率噪声的抑制。
2.根据权利要求1所述的基于光强差分检测的单光束SERF态原子磁强计的偏置及噪声抑制方法，其特征在于，所述滤光片（6）为中性密度滤光片。
3.根据权利要求1所述的基于光强差分检测的单光束SERF态原子磁强计的偏置及噪声抑制方法，其特征在于，所述起偏器（9）为格兰泰勒棱镜。
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