CN113447862A - 磁场梯度测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁场梯度测量装置，包括激光处理模块、第一磁感应模块以及第二磁感应模块，将第一磁感应模块和第二磁感应模块设置于待测磁场中，第一磁感应模块包括第一原子气室、第一反光镜和第一探测器，第二磁感应模块包括第二原子气室、第二反光镜和第二探测器；本申请实施例中的磁场梯度测量装置，在每一个磁感应模块中均设置了反光镜，通过该反光镜使单向穿过磁感应模块中的原子气室的激光折返后，再次穿过原子气室，通过折返光路来增加激光经过原子气室的光程，进而增加与激光作用的原子数，能够有效降低原子气室的工作温度，提高梯度测量装置的灵敏度，且由于无需增加额外的隔热装置、系统功耗更低，能够降低磁场梯度测量装置的制作成本。

Description

磁场梯度测量装置

技术领域

本申请涉及磁场梯度测量技术领域，特别是涉及一种磁场梯度测量装置。

背景技术

随着磁场测量技术的发展，对于磁场强度检测和磁场梯度检测的测量精度要求越来越高，原子光泵梯度仪由于具有超高灵敏度的优势，已经被广泛应用于生物医学、无损探伤等弱磁精密测量领域中。

传统技术中，原子光泵梯度仪通过一个激光光源发射单束激光，分束后作用于多个探头内的原子气室，与原子发生相互作用后，被探测器探测到光强，进而根据光强信号分别鉴别原子在不同磁场下的拉莫进动频率，并根据碱金属原子旋磁比计算磁场强度，最终确定待测磁场的梯度。

目前的原子光泵梯度仪，由于探头小型化后，原子气室的体积缩小，因此通常需要通过提高原子气室的温度的方式来增加与激光作用的原子数，以保证原子光泵梯度仪的灵敏度。但是，原子气室温度过高会导致探头工作温度过高，增大仪器功耗，并需要额外增加隔热装置，导致原子光泵梯度仪的成本较高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在较低温度下增加与激光作用的原子数，来提高梯度仪的灵敏度，解决因原子气室温度过高，造成的仪器功耗较大，以及增加额外的隔热装置导致的仪器成本较高的问题，能够降低原子光泵梯度仪的功耗，同时能够降低原子光泵梯度仪的制作成本。

一种磁场梯度测量装置，该磁场梯度测量装置包括：激光处理模块、第一磁感应模块以及第二磁感应模块，第一磁感应模块和第二磁感应模块设置于待测磁场中，第一磁感应模块包括第一原子气室、第一反光镜和第一探测器，第二磁感应模块包括第二原子气室、第二反光镜和第二探测器；第一原子气室和第二原子气室中的原子相同；

激光处理模块，用于向第一原子气室和第二原子气室输入第一光信号，该第一光信号的自身频率与原子的跃迁频率一致，该第一光信号为经过幅值调制后的光信号；

第一探测器，用于在激光处理模块输入第一光信号后，获取第二光信号的第一强度信息，并向激光处理模块发送该第一强度信息；第二光信号为第一光信号输入第一原子气室后，经第一反光镜返回第一原子气室后形成的光信号；该第一强度信息包括经过幅值调制后的第一光信号下的第二光信号的强度；

第二探测器，用于在激光处理模块输入第一光信号后，获取第三光信号的第二强度信息，并向激光处理模块发送该第二强度信息；第三光信号为第一光信号输入第二原子气室后，经第二反光镜返回第二原子气室后形成的光信号；该第二强度信息包括经过多次幅值调制后的第一光信号下的第三光信号的强度；

激光处理模块，还用于根据第一强度信息、第二强度信息、原子的旋磁比以及距离信息，确定待测磁场的磁场梯度；其中，距离信息为第一原子气室和第二原子气室之间的距离。

在其中一个实施例中，激光处理模块，具体用于根据第一强度信息，确定第一原子气室中原子的第一进动频率，以及根据第二强度信息，确定第二原子气室中原子的第二进动频率；

激光处理模块，还用于根据第一进动频率、第二进动频率、原子的旋磁比以及距离信息，确定待测磁场的磁场梯度。

在其中一个实施例中，激光处理模块，具体用于根据第一进动频率和第二进动频率的差值，与原子的旋磁比和距离信息的比值，确定待测磁场的磁场梯度。

在其中一个实施例中，激光处理模块包括：激光器、激光控制模块和激光分束器；

激光器，用于输出第一光信号，该第一光信号的自身频率与原子的跃迁频率一致；

激光控制模块，用于对第一光信号进行幅值调制；

激光分束器，用于对幅值调制后的第一光信号进行分束处理，分别输入至第一原子气室和第二原子气室。

在其中一个实施例中，激光处理模块还包括：激光传输模块；

激光传输模块，用于将激光控制模块输出的幅值调制后的第一光信号传输至激光分束器，以使激光分束器对该第一光信号进行分束处理后，分别输入至第一原子气室和第二原子气室。

在其中一个实施例中，激光处理模块还包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，第一磁感应模块还包括第一双折射单晶波片，第二磁感应模块还包括第二双折射单晶波片；

第一光纤耦合器，用于将第一光信号耦合进激光传输模块；

第二光纤耦合器，用于将激光传输模块传输的第一光信号准直后，输入至激光分束器；

第一双折射单晶波片，用于将激光分束器输入至第一原子气室的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至第一原子气室；

第二双折射单晶波片，用于将激光分束器输入至第二原子气室的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至第二原子气室。

在其中一个实施例中，激光处理模块还包括：二分之一波片；

二分之一波片，用于调整第二光纤耦合器输出的第一光信号的线偏振态。

在其中一个实施例中，激光处理模块还包括：差分模块；

差分模块，用于接收第一探测器发送的第一强度信息，和第二探测器发送的第二强度信息；

差分模块，还用于将第一强度信息和第二强度信息的差值结果发送至激光控制模块。

在其中一个实施例中，上述激光控制模块包括激光调制器和控制单元；

控制单元，用于控制激光调制器输出不同频率的调制信号，该调制信号，用于对第一光信号进行幅值调制。

在其中一个实施例中，上述激光传输模块为单模保偏光纤。

上述磁场梯度测量装置，包括激光处理模块、第一磁感应模块以及第二磁感应模块，将该第一磁感应模块和第二磁感应模块设置于待测磁场中，第一磁感应模块包括第一原子气室、第一反光镜和第一探测器，第二磁感应模块包括第二原子气室、第二反光镜和第二探测器；激光处理模块向第一原子气室和第二原子气室输入第一光信号；第一探测器在激光处理模块输入第一光信号后，获取第一光信号输入第一原子气室后，经第一反光镜返回第一原子气室后形成的第二光信号的第一强度信息，并向激光处理模块发送该第一强度信息；第二探测器在激光处理模块输入第一光信号后，获取第一光信号输入第二原子气室后，经第二反光镜返回第二原子气室后形成的第三光信号的第二强度信息，并向激光处理模块发送该第二强度信息；激光处理模块根据第一强度信息、第二强度信息、原子的旋磁比以及第一原子气室和第二原子气室之间的距离信息，确定待测磁场的磁场梯度；也就是说，本申请实施例中的磁场梯度测量装置，在每一个磁感应模块中均设置了反光镜，通过该反光镜使单向穿过磁感应模块中的原子气室的激光折返后，再次穿过原子气室，通过折返光路来增加激光经过原子气室的光程，进而增加与激光作用的原子数，能够有效降低原子气室的工作温度，使得原子气室中的原子在较低的工作温度下，仍能有更多的原子与激光相互作用，提高了梯度测量装置的灵敏度；另外，在降低原子气室的温度后，不会增加磁场梯度测量装置的功耗，且本申请实施例中的磁场梯度测量装置也无需增加额外的隔热装置，进而能够降低磁场梯度测量装置的制作成本，同时，本实施例中的结构有利于气室结构的小型化。

附图说明

图1为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图3为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图4为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图5为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图6为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图7为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图；

图8为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的另一结构示意图。

附图标记说明：

10：激光处理模块；20：第一磁感应模块；30：第二磁感应模块；

201：第一原子气室；202：第一反光镜；203：第一探测器；

301：第二原子气室；302：第二反光镜；303：第二探测器；

101：激光器；102：激光控制模块；103：激光分束器；

104：激光传输模块；105：第一光纤耦合器；106：第二光纤耦合器；

204：第一双折射单晶波片；304：第二双折射单晶波片；

107：二分之一波片；108：差分模块；

1021：激光调制器；1022：控制单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例提供的磁场梯度测量装置，适用于磁场梯度测量技术领域，该磁场梯度测量装置，采用反光镜将激光原路返回，以使激光能够双向穿过原子气室，实现了增加激光光程的效果，即能够增加与激光作用的原子数；该磁场梯度测量装置能够降低原子气室的温度，进而能够降低梯度仪的成本，还能够提高梯度仪的灵敏度和精确度。

现有技术中，激光单向穿过原子气室，在探头小型化后，由于原子气室的体积较小，激光穿过原子气室的光程较短，使得与激光作用的原子数较少，导致梯度仪的灵敏度不高；在通过提高原子气室的温度来增加与激光作用的原子数时，将会出现原子气室和探头的工作温度过高的问题；而在实际使用时，需要对原子气室或者探头额外加装隔热装置，而该隔热装置的增加将造成梯度仪的制作成本偏高。

因此，本申请实施例提供的磁场梯度测量装置，可以解决现有技术中通过提高原子气室温度而造成的原子气室温度过高，进而需要增加隔热装置导致梯度仪成本较高的问题；本实施例中的磁场梯度测量装置，在每一个探头中均设置有反光镜，通过该反光镜使单向穿过原子气室的激光折返后，再次穿过原子气室，通过折返光路来增加激光经过原子气室的光程，进而增加与激光作用的原子数；通过本申请的方案，能够有效降低原子气室的工作温度，使得原子气室中的原子在较低工作温度下，仍能有更多的原子与激光相互作用，来提高梯度测量装置的灵敏度；另外，在降低原子气室的温度后，不会增加磁场梯度测量装置的功耗，且可以无需增加额外的隔热装置，进而能够降低梯度测量装置的成本。

下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

图1为本申请实施例提供的磁场梯度测量装置的结构示意图。如图1所示，该磁场梯度测量装置包括：激光处理模块10、第一磁感应模块20以及第二磁感应模块30，第一磁感应模块20和第二磁感应模块30设置于待测磁场中，第一磁感应模块20包括第一原子气室201、第一反光镜202和第一探测器203，第二磁感应模块30包括第二原子气室301、第二反光镜302和第二探测器303；第一原子气室201和第二原子气室301中的原子相同；激光处理模块10，用于向第一原子气室201和第二原子气室301分别输入第一光信号，该第一光信号的自身频率与原子的跃迁频率一致，该第一光信号为经过幅值调制后的光信号；第一探测器203，用于在激光处理模块10输入第一光信号后，获取第二光信号的第一强度信息，并向激光处理模块10发送该第一强度信息；第二光信号为第一光信号输入第一原子气室201后，经第一反光镜202返回第一原子气室201后形成的光信号，第一强度信息包括经过幅值调制后的第一光信号下的第二光信号的强度；第二探测器303，用于在激光处理模块10输入第一光信号后，获取第三光信号的第二强度信息，并向激光处理模块10发送该第二强度信息；第三光信号为第一光信号输入第二原子气室301后，经第二反光镜302返回第二原子气室301后形成的光信号，第二强度信息包括经过幅值调制后的第一光信号下的第三光信号的强度；激光处理模块10，还用于根据第一强度信息、第二强度信息、原子的旋磁比以及距离信息，确定待测磁场的磁场梯度；其中，距离信息为第一原子气室201和第二原子气室202之间的距离。

可选地，该第一原子气室201和第二原子气室301中的原子可以为碱金属原子，例如：钾(K)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等，不同类型的碱金属原子的原子跃迁频率是不同的，根据第一原子气室201和第二原子气室301中的原子类型，可以确定出作用于第一原子气室201和第二原子气室301中的第一光信号的自身频率；也就是说，该第一光信号的自身频率需要与原子跃迁频率保持一致，只有在第一光信号的自身频率等于原子跃迁频率时，第一光信号穿过第一原子气室201和第二原子气室301时，才能使第一原子气室201和第二原子气室301中的原子发生能级跃迁，实现原子极化；之后第一原子气室201和第二原子气室301中的原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动；可选的，该第一光信号可以为圆偏振光，也可以为线偏振光，该第一原子气室201和第二原子气室202中的原子可以为铷原子。

另外，对于该第一光信号，是经过幅值调制后的光信号，也就是说，该第一光信号并不是持续作用于第一原子气室201和第二原子气室301，而是按照一定的幅值调制频率间歇性地作用于第一原子气室201和第二原子气室301；该激光处理模块10，可以控制该第一光信号输入第一原子气室201和第二原子气室301的幅值调制频率，不同调制频率下的第一光信号均同时作用于第一原子气室201和第二原子气室301。

其中，第一光信号经过第一原子气室201后，经第一反光镜202原路返回，再次穿过第一原子气室201后形成第二光信号，第一探测器203获取该第二光信号的强度；对于不同调制频率的第一光信号，第一探测器203可以探测到不同调制频率的第一光信号作用下，形成的第二光信号的强度，得到第二光信号的第一强度信息；该第一强度信息中包括不同调制频率下第二光信号的强度，也就是经过幅值调制后的第一光信号下的第二光信号的强度。

第一光信号经过第二原子气室301后，经第二反光镜302原路返回，再次穿过第二原子气室301后形成第三光信号，第二探测器303获取该第三光信号的强度；对于不同调制频率的第一光信号，第二探测器303可以探测到不同调制频率的第一光信号作用下，形成的第三光信号的强度，得到第三光信号的第二强度信息；该第二强度信息中包括不同调制频率下第三光信号的强度，也就是经过幅值调制后的第一光信号下的第三光信号的强度。

接着，激光处理模块10可以根据第一探测器203发送的第一强度信息、第二探测器303发送的第二强度信息、原子的旋磁比以及第一原子气室201和第二原子气室301之间的距离信息，确定待测磁场的磁场梯度。

上述磁场梯度测量装置，包括激光处理模块、第一磁感应模块以及第二磁感应模块，将该第一磁感应模块和第二磁感应模块设置于待测磁场中，第一磁感应模块包括第一原子气室、第一反光镜和第一探测器，第二磁感应模块包括第二原子气室、第二反光镜和第二探测器；激光处理模块向第一原子气室和第二原子气室输入不同输入频率对应的第一光信号；第一探测器在激光处理模块输入第一光信号后，获取第一光信号输入第一原子气室后，经第一反光镜返回第一原子气室后形成的第二光信号的第一强度信息，并向激光处理模块发送该第一强度信息；第二探测器在激光处理模块输入第一光信号后，获取第一光信号输入第二原子气室后，经第二反光镜返回第二原子气室后形成的第三光信号的第二强度信息，并向激光处理模块发送该第二强度信息；激光处理模块根据第一强度信息、第二强度信息、原子的旋磁比以及第一原子气室和第二原子气室之间的距离信息，确定待测磁场的磁场梯度；也就是说，本申请实施例中的磁场梯度测量装置，在每一个磁感应模块中均设置了反光镜，通过该反光镜使单向穿过磁感应模块中的原子气室的激光折返后，再次穿过原子气室，通过折返光路来增加激光经过原子气室的光程，进而增加与激光作用的原子数，能够有效降低原子气室的温度，使得原子气室中的原子在较低温度下，仍能有更多的原子与激光相互作用，提高了梯度测量装置的灵敏度；另外，在降低原子气室的温度后，不会增加磁场梯度测量装置的功耗，且本申请实施例中的磁场梯度测量装置也无需增加额外的隔热装置，进而能够降低磁场梯度测量装置的制作成本，同时，本实施例中的结构有利于气室结构的小型化。

在一个实施例中，上述激光处理模块10，具体用于根据第一强度信息，确定第一原子气室201中原子的第一进动频率，以及根据第二强度信息，确定第二原子气室301中原子的第二进动频率；进而根据第一进动频率、第二进动频率、原子的旋磁比以及第一原子气室201和第二原子气室301之间的距离信息，确定待测磁场的磁场梯度。

由于第一原子气室201和第二原子气室301处于该待测磁场的不同位置处，对于不同位置处的磁场可能存在差异，因此，该第一原子气室201和第二原子气室301中的原子在不同磁场的作用下，两个原子气室中的原子的进动频率也是不同的。

可选地，激光处理模块10可以根据第一强度信息确定该第一强度信息中的强度峰值，将该强度峰值对应的频率确定为第一原子气室201中原子的第一进动频率；激光处理模块10可以根据第一探测器203发送的第一强度信息调整第一光信号的幅值调制频率，使得在该第一光信号的幅值调制频率与第一原子气室201中原子在待测磁场作用下的进动频率相同时，该第一探测器203探测到的第二光信号的强度达到峰值；激光处理模块10在根据第一探测器203发送的第一强度信息确定出强度峰值时，该强度峰值对应的第一光信号的幅值调制频率即为该第一原子气室201中的原子在待测磁场下的第一进动频率。

同样的，激光处理模块10可以根据第二强度信息确定该第二强度信息中的强度峰值，将该强度峰值对应的频率确定为第二原子气室301中原子的第二进动频率；激光处理模块10可以根据第二探测器303发送的第二强度信息调整第一光信号的幅值调制频率，使得在该第一光信号的幅值调制频率与第二原子气室301中原子在待测磁场作用下的进动频率相同时，该第二探测器303探测到的第三光信号的强度达到峰值；激光处理模块10在根据第二探测器303发送的第二强度信息确定出强度峰值时，该强度峰值对应的第一光信号的幅值调制频率即为该第二原子气室301中的原子在待测磁场下的第二进动频率。

激光处理模块10在确定出第一原子气室201中的原子在待测磁场下的第一进动频率后，可以根据该第一进动频率和原子的旋磁比的比值，确定出第一原子气室201所在位置处的第一磁场强度，以及在确定出第二原子气室301中的原子在待测磁场下的第二进动频率后，可以根据该第二进动频率和原子的旋磁比的比值，确定出第二原子气室301所在位置处的第二磁场强度；进而激光处理模块10可以根据第一磁场强度和第二磁场强度的差值，与第一原子气室201和第二原子气室301之间的距离的比值，确定出待测磁场的磁场梯度。

可选地，激光处理模块10还可以根据第一进动频率和第二进动频率的差值，与原子的旋磁比和第一原子气室201和第二原子气室301之间的距离信息的比值，来确定待测磁场的磁场梯度。

本实施例中，激光处理模块根据第一强度信息，确定第一原子气室中原子的第一进动频率，以及根据第二强度信息，确定第二原子气室中原子的第二进动频率，进而根据第一进动频率、第二进动频率、原子的旋磁比以及第一原子气室和第二原子气室之间的距离信息，确定待测磁场的磁场梯度；即根据不同幅值调制频率的第一光信号与第一原子气室分别作用后的第二光信号的强度信息，确定出第一原子气室中的原子在待测磁场作用下的第一进动频率，以及根据不同幅值调制频率的第一光信号与第二原子气室分别作用后的第三光信号的强度信息，确定出第二原子气室中的原子在待测磁场作用下的第二进动频率；进而，根据第一进动频率、第二进动频率、原子的旋磁比以及第一原子气室和第二原子气室间的距离，确定待测磁场的磁场梯度，能够提高对待测磁场的磁场梯度的计算准确性。

在一个实施例中，如图2所示，激光处理模块10包括：激光器101、激光控制模块102和激光分束器103；激光器101，用于输出第一光信号，该第一光信号的自身频率与原子的跃迁频率一致；激光控制模块102，用于对第一光信号进行幅值调制；激光分束器103，用于对幅值调制后的第一光信号进行分束处理，分别输入至第一原子气室201和第二原子气室301。

可选地，可以根据第一原子气室201和第二原子气室301的原子类型，根据原子能级跃迁的频率确定激光器101输出的第一光信号的频率，即该激光器101输出的第一光信号的频率等于原子能级跃迁的频率，使得在第一光信号作用于第一原子气室201和第二原子气室301时，该第一原子气室201和第二原子气室301中的原子能够在该第一光信号的作用下，进行能级跃迁；可选地，本申请实施例中该第一原子气室201和第二原子气室202中的原子可以为铷原子，该激光器101可以为半导体激光器。

激光器101在输出第一光信号之后，经过激光控制模块102，该激光控制模块102可以对第一光信号进行幅值调制，使得该第一光信号可以通过不同的幅值调制频率间歇性地作用于第一原子气室和第二原子气室；可选地，该激光控制模块102可以为具有开关特性的开关模块，且该开关模块可以在控制器或者处理器的控制下，持续执行打开和关闭操作，以使该第一光信号可以间歇性地作用于第一原子气室和第二原子气室。

激光控制模块102在输出经过幅值调制后的第一光信号之后，该第一光信号经过激光分束器103进行分束处理，使得该第一光信号可以同时输入第一原子气室201和第二原子气室301，进而该第一光信号可以与第一原子气室中的原子相互作用，该第一光信号也可以与第二原子气室中的原子相互作用。可选地，该激光分束器可以为偏振分光棱镜。

本实施例中，激光处理模块包括激光器、激光控制模块和激光分束器，激光器输出自身频率与原子的跃迁频率一致的第一光信号，激光控制模块对该第一光信号进行幅值调制，并经激光分束器分束后分别输入至第一原子气室和第二原子气室；通过模块化的结构设计来实现激光处理模块的功能，能够降低激光处理模块的开发难度，以及提高激光处理模块的整体可靠性。

在一个实施例中，如图3所示，激光处理模块10还包括：激光传输模块104；激光传输模块104，用于将激光控制模块102输出的幅值调制后的第一光信号传输至激光分束器103，以使激光分束器103对该第一光信号进行分束处理后，分别输入至第一原子气室201和第二原子气室301。

可选地，本实施例中的激光传输模块30可以为保偏光纤，例如：单模保偏光纤、多模保偏光纤等；另外，该第一光信号可以为线偏振光，该第一光信号经过该保偏光纤后，保偏光纤输出的第一光信号与输入至该保偏光纤的第一光信号的偏振态能够保持一致。

本实施例中，通过设置激光传输模块，使得激光控制模块通过激光传输模块与激光分束器连接，能够实现激光器与磁感应模块的分离，提高磁场梯度测量装置的设计灵活性。

在一个实施例中，如图4所示，激光处理模块10还包括第一光纤耦合器105和第二光纤耦合器106，第一磁感应模块20还包括第一双折射单晶波片204，第二磁感应模块30还包括第二双折射单晶波片304；第一光纤耦合器105，用于将第一光信号耦合进激光传输模块104；第二光纤耦合器106，用于将激光传输模块104传输的第一光信号准直后，输入至激光分束器103；第一双折射单晶波片204，用于将激光分束器103输入至第一原子气室201的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至第一原子气室201；第二双折射单晶波片304，用于将激光分束器103输入至第二原子气室301的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至第二原子气室301。

具体地，激光器101输出偏振态为线偏振光的第一光信号，经激光控制模块102后，被耦合进第一光纤耦合器105，后经激光传输模块104传输至第二光纤耦合器106，经第二光纤耦合器106准直后输出，输出的第一光信号经过激光分束器103分束后，其中一束经过第一双折射单晶波片204，将第一光信号的线偏振态转换为圆偏振态，形成圆偏振光后，输入第一原子气室201，后经第一反光镜202反射后，再次经过第一原子气室201，接着经过第一双折射单晶波片204将圆偏振光再转换为线偏振光，形成第二光信号，被第一探测器203探测到该第二光信号的强度；另一束经过第二双折射单晶波片304，将第一光信号的线偏振态转换为圆偏振态，形成圆偏振光后，输入第二原子气室301，后经第二反光镜302反射后，再次经过第二原子气室301，接着经过第二双折射单晶波片304将圆偏振光再转换为线偏振光，形成第三光信号，被第二探测器303探测到该第三光信号的强度；可选地，该第一双折射单晶波片204和第二双折射单晶波片304可以为λ/4波片，例如：四分之一波片，该四分之一波片可以实现线偏振光与圆偏振光之间的转换。

本实施例中，通过增加第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一双折射单晶波片和第二双折射单晶波片，可以实现激光器输出单束线偏振光作用于两个原子气室，来测量磁场梯度的过程，具体通过光纤耦合器和保偏光纤实现单束线偏振光的传输，以及通过双折射单晶波片改变线偏振光的偏振态，使作用于原子气室的光信号为圆偏振光，进而通过折返光路与原子气室两次作用后的光信号的强度来确定待测磁场的梯度，增加了磁场梯度测量装置的多样性。

在一个实施例中，如图5所示，激光处理模块10还包括：二分之一波片107；二分之一波片107，用于调整第二光纤耦合器106输出的第一光信号的线偏振态。

具体地，第二光纤耦合器106解耦出第一光信号之后，该第一光信号经过该二分之一波片107，可以对该第一光信号的线偏振态进行调整，进而将调整后的第一光信号经过激光分束器103分束后分别穿过第一双折射单晶波片204和第二双折射单晶波片304。可选地，该二分之一波片107还可以位于激光控制模块102与第一光纤耦合器105之间，也就是，在激光控制模块102输出该第一光信号后，经二分之一波片107对该第一光信号的线偏振态进行调整，以使该第一光信号在经过上述第一双折射单晶波片204和第二双折射单晶波片304后，得到的圆偏振光的效果更好；需要说明的是，该二分之一波片107与第一双折射单晶波片204和第二双折射单晶波片304之间的相对位置和角度，可以根据实际光信号的偏振态进行适当地调整，以得到圆偏振光。

本实施例中，通过在激光处理模块中增加二分之一波片，能够对输出的第一光信号进行线偏振态的调整，以使该第一光信号在穿过双折射单晶波片后，得到的圆偏振光的效果更好，能够提高圆偏振光的输出效果。

在一个实施例中，如图6所示，激光处理模块10还包括：差分模块108；差分模块108，用于接收第一探测器203发送的第一强度信息，和第二探测器303发送的第二强度信息；差分模块108，还用于将第一强度信息和第二强度信息的差值结果发送至激光控制模块102。

具体地，第一探测器203可以将探测到的不同调制频率的第一光信号作用下的第二光信号的第一强度信息输入该差分模块108，第二探测器303也可以将探测到的不同调制频率的第一光信号作用下的第三光信号的第二强度信息输入该差分模块108，同一时刻下，该差分模块108接收到第一强度信息和第二强度信息为同一调制频率的第一光信号作用下，第二光信号的强度和第三光信号的强度；可选地，该差分模块108可以为差分放大器，将同一调制频率下，第二光信号的强度和第三光信号的强度进行差分并放大处理后，发送至激光控制模块102，以使激光控制模块102根据该差分结果确定第一进动频率与第二进动频率的差值。

本实施例中，通过在激光处理模块中增加差分模块，使得第一探测器将获取到的第一强度信息和第二探测器获取到的第二强度信息，输入该差分模块中，得到差分结果后，发送至激光控制模块，能够减少原有集成式激光处理模块的工作压力，提高激光处理模块的处理效率。

在一个实施例中，如图7所示，激光控制模块102包括激光调制器1021和控制单元1022；控制单元1022，用于控制激光调制器1021输出不同频率的调制信号，该调制信号，用于对第一光信号进行幅值调制。

可选地，控制单元1022可以控制激光调制器1021输出不同频率的调制信号，该调制信号可以为方波信号或者正弦信号，该调制信号可以对激光器101输出的第一光信号进行幅值调制，即实现对该第一光信号的开关特性，使得该第一光信号可以按照一定的时间间隔输入至第一原子气室201，以及输入至第二原子气室301，并与第一原子气室201和第二原子气室301均产生间歇性作用。

可选地，该控制单元1022，还用于接收第一探测器202发送的第二光信号的第一强度信息，以及接收第二探测器302发送的第三光信号的第二强度信息，并通过分别对该第一强度信息和该第二强度信息的分析，得到第一强度信息的强度峰值，和第二强度信息的强度峰值，进而确定出第一强度信息的强度峰值对应的第一进动频率，和第二强度信息的强度峰值对应的第二进动频率。

可选地，该控制单元1022，还可以根据该第一强度信息或第二强度信息控制激光调制器1021输出不同频率的调制信号，也就是说，可以根据第一强度信息中第二光信号的强度随第一光信号的幅值调制频率的变化情况，调整第一光信号幅值调制频率，以使第二光信号的强度达到峰值，进而来确定第一原子气室中原子的第一进动频率；也可以根据第二强度信息中第三光信号的强度随第一光信号的幅值调制频率的变化情况，调整第一光信号的幅值调制频率，以使第三光信号的强度达到峰值，进而来确定第二原子气室中原子的第二进动频率。

本实施例中，通过将激光控制模块分解为激光调制器和控制单元，通过控制单元控制激光调制器输出不同频率的调制信号，通过该调制信号来对第一光信号进行幅值调制，通过进一步细化激光控制模块，能够降低激光控制模块的集成度，提高激光控制模块的设计灵活性。

在一个实施例中，如图8所示，为磁场梯度测量装置的一个可选的实现结构，包括：激光器、激光调制器、第一光纤耦合器、保偏光纤、第二光纤耦合器、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一原子气室、第一反光镜、第一探测器、第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二原子气室、第二反光镜、第二探测器、差分放大器以及控制单元。

具体地，激光器输出自身频率与原子的跃迁频率一致的第一光信号，经激光调制器进行幅值调制后，经第一光纤耦合器耦合进光纤，之后经保偏光纤传输至第二光纤耦合器，第二光纤耦合器准直后输出至第一二分之一波片，进行线偏振态的调整，之后经第一偏振分光棱镜进行激光分束，分束后，其中一束第一光信号经第一四分之一波片后，转换为圆偏振光，穿过第一原子气室，后经第一反光镜返回，再次穿过第一原子气室，与第一原子气室中的原子相互作用后，经过第一四分之一波片，转换为线偏振光，形成第二光信号，再经过第一偏振分光棱镜后，被第一探测器探测到该第二光信号的强度；另一束第一光信号经第二二分之一波片，进行线偏振态的调整，之后经第二偏振分光棱镜进行激光反射后，经过第二四分之一波片后，转换为圆偏振光，穿过第二原子气室，后经第二反光镜返回，再次穿过第二原子气室，与第二原子气室中的原子相互作用后，经过第二四分之一波片，转换为线偏振光，形成第三光信号，再经过第二偏振分光棱镜后，被第二探测器探测到该第三光信号的强度；接着，第一探测器将探测到的第二光信号的强度和第二探测器探测到的第三光信号的强度输入至差分放大器进行差分处理，并将差分结果发送至控制单元，控制单元根据该差分结果控制激光调制器，以调整第一光信号的幅值调制频率，直至分别获取到第一进动频率和第二进动频率为止，进而，根据该第一进动频率和第二进动频率、原子的旋磁比以及第一原子气室与第二原子气室间的距离，计算得到待测磁场的梯度。

本实施例中的磁场梯度测量装置，结构简单，易于实现，能够降低原子气室的工作温度，降低该磁场梯度测量装置的成本，以及提高磁场梯度测量装置的灵敏度和精确度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁场梯度测量装置，其特征在于，所述磁场梯度测量装置包括：激光处理模块、第一磁感应模块以及第二磁感应模块，所述第一磁感应模块和所述第二磁感应模块设置于待测磁场中，所述第一磁感应模块包括第一原子气室、第一反光镜和第一探测器，所述第二磁感应模块包括第二原子气室、第二反光镜和第二探测器；所述第一原子气室和所述第二原子气室中的原子相同；

所述激光处理模块，用于向所述第一原子气室和所述第二原子气室分别输入第一光信号，所述第一光信号的自身频率与所述原子的跃迁频率一致，所述第一光信号为经过幅值调制后的光信号；

所述第一探测器，用于在所述激光处理模块输入所述第一光信号后，获取第二光信号的第一强度信息，并向所述激光处理模块发送所述第一强度信息；所述第二光信号为所述第一光信号输入所述第一原子气室后，经所述第一反光镜返回所述第一原子气室后形成的光信号，所述第一强度信息包括经过幅值调制后的所述第一光信号下的所述第二光信号的强度；

所述第二探测器，用于在所述激光处理模块输入所述第一光信号后，获取第三光信号的第二强度信息，并向所述激光处理模块发送所述第二强度信息；所述第三光信号为所述第一光信号输入所述第二原子气室后，经所述第二反光镜返回所述第二原子气室后形成的光信号，所述第二强度信息包括经过多次幅值调制后的所述第一光信号下的所述第三光信号的强度；

所述激光处理模块，还用于根据所述第一强度信息、所述第二强度信息、所述原子的旋磁比以及所述距离信息，确定所述待测磁场的磁场梯度；其中，所述距离信息为所述第一原子气室和所述第二原子气室之间的距离。

2.根据权利要求1所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，

所述激光处理模块，具体用于根据所述第一强度信息，确定所述第一原子气室中原子的第一进动频率，以及根据所述第二强度信息，确定所述第二原子气室中原子的第二进动频率；

所述激光处理模块，还用于根据所述第一进动频率、所述第二进动频率、所述原子的旋磁比以及所述距离信息，确定所述待测磁场的磁场梯度。

3.根据权利要求2所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，

所述激光处理模块，具体用于根据所述第一进动频率和所述第二进动频率的差值，与所述原子的旋磁比和所述距离信息的比值，确定所述待测磁场的磁场梯度。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光处理模块包括：激光器、激光控制模块和激光分束器；

所述激光器，用于输出所述第一光信号，所述第一光信号的自身频率与所述原子的跃迁频率一致；

所述激光控制模块，用于对所述第一光信号进行幅值调制；

所述激光分束器，用于对幅值调制后的第一光信号进行分束处理，分别输入至所述第一原子气室和所述第二原子气室。

5.根据权利要求4所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光处理模块还包括：激光传输模块；

所述激光传输模块，用于将所述激光控制模块输出的所述幅值调制后的第一光信号传输至所述激光分束器，以使所述激光分束器对所述第一光信号进行分束处理后，分别输入至所述第一原子气室和所述第二原子气室。

6.根据权利要求5所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光处理模块还包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述第一磁感应模块还包括第一双折射单晶波片，所述第二磁感应模块还包括第二双折射单晶波片；

所述第一光纤耦合器，用于将所述第一光信号耦合进所述激光传输模块；

所述第二光纤耦合器，用于将所述激光传输模块传输的所述第一光信号准直后，输入至所述激光分束器；

所述第一双折射单晶波片，用于将所述激光分束器输入至所述第一原子气室的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至所述第一原子气室；

所述第二双折射单晶波片，用于将所述激光分束器输入至所述第二原子气室的第一光信号的偏振态调整为圆偏振光后，输入至所述第二原子气室。

7.根据权利要求6所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光处理模块还包括：二分之一波片；

所述二分之一波片，用于调整所述第二光纤耦合器输出的所述第一光信号的线偏振态。

8.根据权利要求7所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光处理模块还包括：差分模块；

所述差分模块，用于接收所述第一探测器发送的所述第一强度信息，和所述第二探测器发送的所述第二强度信息；

所述差分模块，还用于将所述第一强度信息和所述第二强度信息的差值结果发送至所述激光控制模块。

9.根据权利要求4所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光控制模块包括激光调制器和控制单元；

所述控制单元，用于控制所述激光调制器输出不同频率的调制信号，所述调制信号，用于对所述第一光信号进行幅值调制。

10.根据权利要求5所述的磁场梯度测量装置，其特征在于，所述激光传输模块为单模保偏光纤。

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