CN112782620A - 一种用于光泵原子磁力仪的磁探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光泵原子磁力仪的磁探头，通过采用无磁化、高性能光束传输系统、高性能光电转换以及模块化设计，在保证磁探头高性能的同时，便于系统的升级及技术迭代更新，具有产业化发展的技术前景。
Description
技术领域
本发明属于原子磁力仪、原子陀螺仪、量子精密测量等技术领域，具体涉及一种用于光泵原子磁力仪的磁探头。
背景技术
磁场作为磁性物体的一种重要特征，是最早被人类认识的物理现象之一，小到分子、原子，大到地球、星际空间，都蕴含着丰富多样的磁场信息。因此对磁场的测量已成为认识物理世界的一项重要技术手段。近几十年来，对磁场的高精度测量已广泛的应用于地球科学、军事、生物医学和基础物理科学等领域。
目前、国际上常用测量地磁场的高性能磁力仪类型按工作原理可分为磁通门磁力仪、质子磁力仪、原子磁力仪、超导磁力仪、光泵原子磁力仪，其中光泵原子磁力仪是目前测量地磁场强度下磁场实用性能最佳的磁力仪，具有无零点漂移、采样率高、可连续测量，无需严格定向、无需校准标定等优点。在测量地磁场时，它既可以测量地磁场总场，又可以测量地磁场的梯度；它既可以测量磁场的慢速变化，也可以测量快速瞬变的磁场。光泵原子磁力仪最为核心和关键的组件是磁探头，磁探头中如何实现无磁化、高性能泵浦光的产生及传输系统是最为核心的关键技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于光泵原子磁力仪的磁探头，能够满足光泵原子磁力仪的无磁化、高性能要求。
本发明提供了一种用于光泵原子磁力仪的磁探头，包括安装基板、光谱灯、光束传输系统及原子气室组件，所述光谱灯、光束传输系统及原子气室组件顺序安装在安装基板上；所述光束传输系统，用于对所述光谱灯产生的光束进行准直、压缩及滤光处理；所述原子气室组件，用于对所述光束传输系统输出的光束经过原子气室后进行汇聚和准直处理后进行输出。
进一步地，所述光束传输系统包括顺序排列的菲涅尔透镜组、光束光斑压缩系统、导光管及光束滤光传输系统；
其中，所述菲涅尔透镜组用于对所述光谱灯的出射光束的准直处理；所述光束光斑压缩系统采用倒置望远镜系统对准直后的光束进行压缩；所述导光管为导光光纤；所述光束滤光传输系统包括光束准直系统、带宽为2nm干涉滤光片及工作波长为碱金属D1线的圆偏振片。
进一步地，所述原子气室组件包括无磁加热系统、射频激励线圈、碱金属原子气室、光束汇聚透镜组及导光管；所述无磁加热系统位于所述射频激励线圈的外侧，所述碱金属原子气室位于所述射频激励线圈的中间，光束穿过所述碱金属原子气室后经过所述光束汇聚透镜组及导光管传输。
进一步地，所述安装基板采用无磁性材料制作。
进一步地，所述安装基板还包括磁洁净光电转换系统，所述磁洁净光电转换系统用于将将携带磁共振信号的光信号转换成电信号。
有益效果：
1、本发明通过采用无磁化、高性能光束传输系统、高性能光电转换以及模块化设计，在保证磁探头高性能的同时，便于系统的升级及技术迭代更新，具有产业化发展的技术前景。
2、本发明通过采用磁洁净光电转换系统作到了净化磁探头的电磁环境，磁探头两次光学导管设计，在拓展磁探头适用性范围同时，规避了光泵原子磁力仪控制电路系统以及控制平台等系统剩余磁场对磁探头的影响。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于光泵原子磁力仪的磁探头的结构图俯视图。
图2为本发明提供的一种用于光泵原子磁力仪的磁探头的结构图左视图。
图3为本发明提供的一种用于光泵原子磁力仪的磁探头的铯原子气室尺寸。
其中，1-安装基板，2-光谱灯，3-光束传输系统，4-菲涅尔透镜组，5-光束光斑压缩系统，6-导光管，7-光束滤光传输系统，8-光束准直系统，9-光束滤光传输系统，10-真空舱，11-原子气室组件，12-无磁加热系统、13-射频激励线圈、14-碱金属原子气室、15-光束汇聚透镜组、16-导光管，17-磁洁净光电转换系统。
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。
本发明提供了一种用于光泵原子磁力仪的磁探头，如图1所示，包括安装基板1、光谱灯2、光束传输系统3及原子气室组件11，光谱灯2、光束传输系统3及原子气室组件11均安装在安装基板1上。
其中，光束传输系统3，包括顺序排列的菲涅尔透镜组4、光束光斑压缩系统5、导光管6及光束滤光传输系统7。其中，菲涅尔透镜组4用于实现光谱灯2的出射光束的准直。光束光斑压缩系统5，采用倒置望远镜系统对准直后的光束光斑进行压缩。导光管6采用导光光纤，对光束进行无损耗长距离传输，用以消除光谱灯电磁信号对磁探测信号的影响。光束滤光传输系统7，包括光束准直系统8、带宽为2nm干涉滤光片9、工作波长为碱金属D1线的圆偏振片10，用以实现光束平行入射到原子气室，为实现原子极化态的制备，光束偏振态为圆偏振态。
光谱灯2的发光原理是无极放电，发光物质是碱金属蒸气和起辉气体。在高频电场的作用下，灯泡中的起辉气体分子发生电离。电离后的起辉气体分子通过碰撞将能量传给碱金属原子，把碱金属原子激发到激发态上去。处于激发态的碱金属原子通过跃迁回到基态而发光。光谱灯光谱可以分为两种成分，一种是对光抽运有贡献的有效成分，称为有效光；一种是对光抽运没有贡献的无效成分。包含碱金属原子其他谱线的发光和起辉气体发光。称为无效光。一个性能优良的光谱灯所发出的光，应该具有尽可能强的有效成分和尽可能弱的无效成分。
原子气室组件11，包括无磁加热系统12、射频激励线圈13、碱金属原子气室14、光束汇聚透镜组15及导光管16，无磁加热系统12位于射频激励线圈13的外侧，碱金属原子气室14位于射频激励线圈13的中间，光束穿过碱金属原子气室14后经过光束汇聚透镜组15及导光管16传输。其中，光束汇聚透镜组15用于将通过原子气室的透射光束进行汇聚和准直后，使光束尽可能多的进入导光管16。导光管16采用导光光纤，是将携带磁共振信号的光束导出原子气室所在空间范围，再进行光信号向电信号转换，此处该设计是为了净化磁探头附近的电磁环境。
安装基板1采用无磁性材料制作，安装基板1还包括磁洁净光电转换系统17。磁洁净光电转换系统17是将携带磁共振信号的光信号转换成电信号的模块，采用光伏模式，主要采用电信号无损耗传输、带宽优化及交流放大滤波电路模块等技术，提高信号探测的信号比。
a.实施例中光谱灯2采用铯光谱灯，其激励电路采用电容三点式LC振荡电路，设计的关键是优化射频信号、线圈、谱灯三者之间的相互匹配关系，用以实现谱灯的工作模式和输出光强稳定，此部分内容将在本项目组另一申报专利中详细阐述。
b.实例中光束传输系统3用以实现铯光谱灯的远距离传输和铯原子极化态制备所需光束的特性，光束传输系统3，由菲涅尔透镜组4、光束光斑压缩系统5、导光管6、光束滤光传输系统7四部分组成。铯光谱灯发光泡为直径约为5mm的球体，其发光形式为发散型光源。系统中菲涅尔透镜组4用于光束准直，出射光束的光斑直径为20mm；光束光斑压缩系统5采用薄透镜组成的倒置望远镜系统，将光斑压缩至4mm；导光管6采用内径为8mm、外径为11mm的导光光纤，实现光谱灯出射光束的长距离传输；光束滤光传输系统7包括光束准直系统8、带宽为2nm干涉滤光片9、工作波长为铯原子D1线的圆偏振片，其中光束准直系统8为薄透镜组，实现导光光纤出射的发散光束汇聚准直；带宽为2nm干涉滤光片9是将铯光谱灯中D1线除外的所有光束给滤除，用以提高光抽运的效果和降低光场噪声；圆偏振片是线偏振片和1/4波片的光学胶胶合在一块，是将入射的线偏振光转换为圆偏振光，其工作波长为894nm；
c.实例中射频激励线圈11，由无磁加热系统12、射频激励线圈13、碱金属原子气室14、光束汇聚透镜组15、导光管16组成，其中无磁加热系统12对原子气室进行加热，采用四组导线并饶的方式，对气室两个端面进行交流加热，交流加热工作频率为10kHz；5射频激励线圈13将射频信号注入原子气室所在空间，使碱金属原子、磁场、射频信号产生磁共振信号；碱金属原子气室14为铯原子气室，其尺寸铷图3所示，直径为25mm，长度为50mm，充入碱金属为铯原子；光束汇聚透镜组15用于将通过原子气室的透射的发散光束进行汇聚和准直后，使光束尽可能多的进入导光管16，该光束携带磁共振信号；导光管16采用内径为8mm、外径为11mm的导光光纤，作用是将携带磁共振信号的光束导出原子气室所在空间范围，再进行光信号向电信号转换，此处设计是为了净化磁探头附近的电磁环境；
d.实例中安装基板组件1，由安装基板1、磁洁净光电转换系统17、导光管16组成，其中安装基板作为光谱灯2、光束传输系统3、射频激励线圈11的支撑骨架，材料采用硬铝；导光管16采用内径为8mm、外径为11mm的导光光纤，作用是将携带磁共振信号的光束导出原子气室所在空间范围，再进行光信号向电信号转换；磁洁净光电转换系统17是将携带磁共振信号的光信号转换成电信号的模块、采用光伏模式、主要采用电信号无损耗传输、带宽优化及交流放大滤波电路模块等技术，提高信号探测的信号比。
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)
1.一种用于光泵原子磁力仪的磁探头，其特征在于，包括安装基板(1)、光谱灯(2)、光束传输系统(3)及原子气室组件(11)，所述光谱灯(2)、光束传输系统(3)及原子气室组件(11)顺序安装在安装基板(1)上；所述光束传输系统(3)，用于对所述光谱灯(2)产生的光束进行准直、压缩及滤光处理；所述原子气室组件(11)，用于对所述光束传输系统(3)输出的光束经过原子气室后进行汇聚和准直处理后进行输出。
2.根据权利要求1所述的磁探头，其特征在于，所述光束传输系统(3)包括顺序排列的菲涅尔透镜组(4)、光束光斑压缩系统(5)、导光管(6)及光束滤光传输系统(7)；
其中，所述菲涅尔透镜组(4)用于对所述光谱灯(2)的出射光束的准直处理；所述光束光斑压缩系统(5)采用倒置望远镜系统对准直后的光束进行压缩；所述导光管(6)为导光光纤；所述光束滤光传输系统(7)包括光束准直系统(8)、带宽为2nm干涉滤光片(9)及工作波长为碱金属D1线的圆偏振片(10)。
3.根据权利要求1所述的磁探头，其特征在于，所述原子气室组件(11)包括无磁加热系统(12)、射频激励线圈(13)、碱金属原子气室(14)、光束汇聚透镜组(15)及导光管(16)；所述无磁加热系统(12)位于所述射频激励线圈(13)的外侧，所述碱金属原子气室(14)位于所述射频激励线圈(13)的中间，光束穿过所述碱金属原子气室(14)后经过所述光束汇聚透镜组(15)及导光管(16)传输。
4.根据权利要求1所述的磁探头，其特征在于，所述安装基板(1)采用无磁性材料制作。
5.根据权利要求1所述的磁探头，其特征在于，所述安装基板(1)还包括磁洁净光电转换系统(17)，所述磁洁净光电转换系统(17)用于将将携带磁共振信号的光信号转换成电信号。
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