CN113721171A - 磁梯度系统及其检测方法 - Google Patents

磁梯度系统及其检测方法 Download PDF

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罗文浩
杨仁福
魏小刚
张笑楠
杜艺杰
丛楠
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Abstract

本发明涉及一种磁梯度系统及其检测方法。信号发生模块用于产生周期性变化的调制信号。激光模块与信号发生模块连接。激光模块经调制信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。光功率稳定模块设置于泵浦光的光路上，用于将泵浦光转换成光功率稳定的泵浦光。圆偏振模块设置于光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。半透半反镜模块设置于圆偏振光的光路上，用于将圆偏振光转换成第一圆偏振光与第二圆偏振光。第一原子气室设置于第一圆偏振光的光路上，第一圆偏振光经第一原子气室后出射第一探测光。第二原子气室设置于第二圆偏振光的光路上，第二圆偏振光经第二原子气室后出射第二探测光。

Description

磁梯度系统及其检测方法
技术领域
本申请涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种磁梯度系统及其检测方法。
背景技术
微弱磁场信号的检测可应用于很多重要领域，例如无损检测、地质勘探、水下长波通讯和地磁导航等。传统的磁通门测量的磁场一般在nT量级，无法实现更加微弱的磁场测量。基于量子效应研制的磁强计和梯度计主要有两大类，一类是基于超导量子干涉器所研制的磁强计或梯度计，另一类是原子磁力仪或磁梯度计。原子磁力仪不需要庞大的制冷装置，更容易实现装置的小型化，同时灵敏度也能达到亚fT量级，在很多领域都有较为广泛的应用。
然而，传统的磁梯度计设置有多个射频线圈和声光调制器。射频线圈和声光调制器的设置，引入了磁场噪声，进而导致了磁梯度计的灵敏度偏低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种磁梯度系统及其检测方法。
本申请提供一种磁梯度系统。所述磁梯度系统包括信号发生模块、激光模块、光功率稳定模块、圆偏振模块、半透半反镜模块、第一原子气室以及第二原子气室。所述信号发生模块用于产生周期性变化的调制信号。所述激光模块与所述信号发生模块连接。所述激光模块经所述调制信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。
所述光功率稳定模块设置于所述泵浦光的光路上，用于将所述泵浦光转换成光功率稳定的泵浦光。所述圆偏振模块设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。所述半透半反镜模块设置于所述圆偏振光的光路上，用于将所述圆偏振光转换成第一圆偏振光与第二圆偏振光。所述第一原子气室设置于所述第一圆偏振光的光路上，所述第一圆偏振光经所述第一原子气室后出射第一探测光。所述第二原子气室设置于所述第二圆偏振光的光路上，所述第二圆偏振光经所述第二原子气室后出射第二探测光。
在一个实施例中，所述信号发生模块包括第一信号发生器、第二信号发生器以及信号转换器。所述第一信号发生器用于产生锯齿波信号。所述第二信号发生器的输入端与所述第一信号发生器的输出端连接。所述第二信号发生器经所述锯齿波信号控制产生不同频率的方波电压信号。所述信号转换器的输入端与所述第二信号发生器的输出端连接，用于将所述方波电压信号转换成电流信号。所述信号转换器的输出端与所述激光模块的调制端连接，所述激光模块经所述电流信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。
在一个实施例中，所述磁梯度系统还包括第一光电探测模块、第二光电探测模块、第一锁相放大模块以及第二锁相放大模块。所述第一光电探测模块设置于所述第一探测光的光路上，用于将所述第一探测光转换成第一探测电信号。所述第二光电探测模块设置于所述第二探测光的光路上，用于将所述第二探测光转换成第二探测电信号。所述第一锁相放大模块的输入端分别与所述第二信号发生器的输出端和所述第一光电探测模块的输出端连接，用于接收所述第一探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第一探测电信号进行解调获得第一鉴频信号。
所述第二锁相放大模块的输入端分别与所述第二信号发生器的输出端和所述第二光电探测模块的输出端连接，用于接收所述第二探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第二探测电信号进行解调获得第二鉴频信号。
在一个实施例中，所述磁梯度系统还包括计算模块。所述计算模块分别与所述第一锁相放大模块的输出端和所述第二锁相放大模块的输出端连接，用于获取所述第一鉴频信号和所述第二鉴频信号。所述计算模块用于根据所述第一鉴频信号计算0电压处对应的第一频率值，根据所述第二鉴频信号计算0电压处对应的第二频率值，并根据所述第一频率值与所述第二频率值计算频率差值，将所述频率差值转换成磁场梯度。
在一个实施例中，所述磁梯度系统还包括第一控制模块。所述第一控制模块的输入端与所述第一锁相放大模块的输出端连接。所述第一控制模块的输出端与所述第二信号发生器的控制端连接，用于根据所述第一鉴频信号控制所述第二信号发生器产生不同频率的方波电压信号。
在一个实施例中，所述光功率稳定模块包括功率衰减器、第三光电探测模块以及第二控制模块。所述功率衰减器的输入端与所述激光模块的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出所述光功率稳定的泵浦光。所述第三光电探测模块与所述功率衰减器的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第三探测信号。
所述第二控制模块的输入端与所述第三光电探测模块的输出端连接，所述第二控制模块的输出端与所述功率衰减器的控制端连接，用于根据所述第三探测信号控制所述功率衰减器输出所述光功率稳定的泵浦光。
在一个实施例中，所述圆偏振模块包括线偏振片与四分之一波片。所述线偏振片设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上。所述四分之一波片设置于经所述线偏振片后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。
在一个实施例中，所述调制信号为半拉莫尔调制信号。
在一个实施例中，所述磁梯度系统还包括第一透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器以及第二透镜。所述第一透镜设置于所述泵浦光的光路上。所述第一光纤耦合器设置于经所述第一透镜后的所述泵浦光的光路上。且所述第一光纤耦合器与所述功率衰减器的输入端连接。所述第二光纤耦合器与所述功率衰减器的输出端连接。所述第二透镜设置于经所述第二光纤耦合器的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。所述圆偏振模块设置于经所述第二透镜后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。
在一个实施例中，本申请提供一种磁梯度系统的检测方法，采用上述实施例中任一所述的磁梯度系统进行检测。
所述信号发生模块产生的所述调制信号，传输至所述激光模块。所述激光模块受所述调制信号的调制，产生波长周期性变化的泵浦光。所述磁梯度系统通过所述信号发生模块调节所述激光模块的注入电流，改变泵浦光的波长。当所述激光模块发出的激光处于Rb的吸收谱线的吸收峰处时，处于光泵浦的状态。当波长远离吸收峰处对应的波长时，光泵浦处于关断状态。通过所述调制信号调节注入所述激光模块的电流的频率，进而改变泵浦光的开断频率。同时，通过所述光功率稳定模块对泵浦光的光功率进行稳定，避免光功率波动引入额外的噪声。因此，本申请所述磁梯度系统不需要采用声光调制器，能够实现对泵浦光波长的调制，进而缩小了整体装置的体积，更有利于实现装置的小型化。
所述半透半反镜模块将所述圆偏振光分成两束偏振态相同和光强相同的泵浦光，即所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光。所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光分别进入所述第一原子气室与所述第二原子气室。所述第一原子气室与所述第二原子气室的结构和成分参数相同，用于感应外界磁场的大小。根据所述第一原子气室与所述第二原子气室可以检测磁场梯度，且不需要采用磁屏蔽装置，可在地磁环境下测量磁场梯度信号。本申请所述磁梯度系统不需要磁屏蔽装置，可以在弱地磁或地磁环境下即可测量磁场的梯度。所述磁梯度系统不需要磁屏蔽装置，脱离了屏蔽环境，提高了其应用范围。
本申请所述磁梯度系统采用单个所述激光模块进行泵浦，不需要采用两个激光器去分别泵浦两个气室，可以保证两个气室的泵浦条件一致，能够更好地消除共模噪声，提高磁梯度计的灵敏度。并且，本申请所述磁梯度系统采用单光束构型，线性度较好，提高了磁场测量范围和带宽。
本申请所述磁梯度系统不需要射频线圈和声光调制器，可以进一步减少声光调制器和射频线圈引入的磁场噪声。并且，本申请所述磁梯度系统仅存在泵浦光方向的一个死区无法对磁场进行检测，减少了测量死区的个数。相比于传统磁梯度计，应用前景更广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中提供的磁梯度系统的结构示意图。
图2为一实施例中提供的不同气压的原子气室对应的光电探测器探测的电压与激光波长的关系。
图3为一实施例中提供的加热装置的结构示意图。
图4为一实施例中提供的共振曲线与鉴频曲线的示意图。
图5为一实施例中提供的磁梯度系统的结构示意图。
图6为一实施例中提供的磁梯度系统的噪声谱示意图。
图7为一实施例中提供的全拉莫尔调制与半拉莫尔调制的波形示意图。
附图标记说明：
磁梯度系统100、信号发生模块10、激光模块20、光功率稳定模块30、圆偏振模块40、半透半反镜模块50、第一原子气室610、加热装置611、加热丝6110、第二原子气室620、第一信号发生器110、第二信号发生器120、信号转换器130、第一光电探测模块710、第二光电探测模块720、第一锁相放大模块810、第二锁相放大模块820、计算模块830、电脑840、第一控制模块90、功率衰减器310、第三光电探测模块320、第二控制模块330、线偏振片410、四分之一波片420、第一透镜210、第一光纤耦合器220、第二光纤耦合器230、第二透镜240、全反镜510。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
请参见图1，本申请提供一种磁梯度系统100。所述磁梯度系统100包括信号发生模块10、激光模块20、光功率稳定模块30、圆偏振模块40、半透半反镜模块50、第一原子气室610以及第二原子气室620。所述信号发生模块10用于产生周期性变化的调制信号。所述激光模块20与所述信号发生模块10连接。所述激光模块20经所述调制信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。
所述光功率稳定模块30设置于所述泵浦光的光路上，用于将所述泵浦光转换成光功率稳定的泵浦光。所述圆偏振模块40设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。所述半透半反镜模块50设置于所述圆偏振光的光路上，用于将所述圆偏振光转换成第一圆偏振光与第二圆偏振光。所述第一原子气室610设置于所述第一圆偏振光的光路上，所述第一圆偏振光经所述第一原子气室610后出射第一探测光。所述第二原子气室620设置于所述第二圆偏振光的光路上，所述第二圆偏振光经所述第二原子气室620后出射第二探测光。
所述信号发生模块10产生的所述调制信号，传输至所述激光模块20。所述激光模块20受所述调制信号的调制，产生波长周期性变化的泵浦光。所述磁梯度系统100通过所述信号发生模块10调节所述激光模块20的注入电流，改变泵浦光的波长。当所述激光模块20发出的激光处于Rb的吸收谱线的吸收峰处时，处于光泵浦的状态。当波长远离吸收峰处对应的波长时，光泵浦处于关断状态。通过所述调制信号调节注入所述激光模块20的电流的频率，进而改变泵浦光的开断频率。同时，通过所述光功率稳定模块30对泵浦光的光功率进行稳定，避免光功率波动引入额外的噪声。因此，本申请所述磁梯度系统100不需要采用声光调制器，能够实现对泵浦光波长的调制，进而缩小了整体装置的体积，更有利于实现装置的小型化。
所述半透半反镜模块50将所述圆偏振光分成两束偏振态相同和光强相同的泵浦光，即所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光。所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光分别进入所述第一原子气室610与所述第二原子气室620。所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的结构和成分参数相同，用于感应外界磁场的大小。根据所述第一原子气室610与所述第二原子气室620可以检测磁场梯度，且不需要采用磁屏蔽装置，可在地磁环境下测量磁场梯度信号。本申请所述磁梯度系统100不需要磁屏蔽装置，可以在弱地磁或地磁环境下即可测量磁场的梯度。所述磁梯度系统100不需要磁屏蔽装置，脱离了屏蔽环境，提高了其应用范围。
本申请所述磁梯度系统100采用单个所述激光模块20进行泵浦，不需要采用两个激光器去分别泵浦两个气室，可以保证两个气室的泵浦条件一致，能够更好地消除共模噪声，提高磁梯度计的灵敏度。并且，本申请所述磁梯度系统100采用单光束构型，线性度较好，提高了磁场测量范围和带宽。
本申请所述磁梯度系统100不需要射频线圈和声光调制器，可以进一步减少声光调制器和射频线圈引入的磁场噪声。并且，本申请所述磁梯度系统100仅存在泵浦光方向的一个死区无法对磁场进行检测，减少了测量死区的个数。相比于传统磁梯度计，应用前景更广。
在一个实施例中，所述激光模块20为垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)，用于产生泵浦光和探测光。本申请中泵浦光和探测光作为同一束光，形成了单光束的构型。垂直腔面发射激光器采用无磁封装，且内部充有惰性气体进行保护。垂直腔面发射激光器设置有TEC控温电路和热敏电阻。通过调节垂直腔面发射激光器的电流和温度，可以控制光的波长和光强。垂直腔面发射激光器的光波长设置在Rb的D1线，即795nm附近。
在一个实施例中，所述光功率稳定模块30可以控制泵浦光的光功率在1mW，对泵浦光的光功率进行稳定控制。所述光功率稳定模块30包括功率衰减器310、第三光电探测模块320以及第二控制模块330。所述功率衰减器310的输入端与所述激光模块20的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出所述光功率稳定的泵浦光。所述第三光电探测模块320与所述功率衰减器310的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第三探测信号。
所述第二控制模块330的输入端与所述第三光电探测模块320的输出端连接，所述第二控制模块330的输出端与所述功率衰减器310的控制端连接，用于根据所述第三探测信号控制所述功率衰减器310输出所述光功率稳定的泵浦光。所述功率衰减器310输出的所述光功率稳定的泵浦光，分为两路。5％的所述光功率稳定的泵浦光连接所述第三光电探测模块320。所述第三光电探测模块320的输出端接入所述第二控制模块330的输入端。所述第二控制模块330可以为PID控制电路。根据所述第三探测信号，设置PID控制电路的参数，控制光功率值，进而确保泵浦光只有波长周期性变化，光强保持稳定。
所述功率衰减器310、所述第三光电探测模块320以及所述第二控制模块330形成闭环回路。其余95％的所述光功率稳定的泵浦光用于实现泵浦和检测。
在一个实施例中，所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的尺寸为5×5×5mm3的方形气室。所述第一原子气室610与所述第二原子气室620内部充有87Rb和N2。通过进入所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的泵浦光实现碱金属电子的极化。N2可作为淬灭气体，用于避免Rb快速的退极化。所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的气室内气压为650torr。
在一个实施例中，所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的间距为3cm至5cm，更有利于所述磁梯度系统100对磁梯度进行检测。
请参见图2，通过改变所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光的波长，检测从所述第一原子气室610与所述第二原子气室620中出射的所述第一探测光与所述第二探测光的光强的变化。光电探测器将所述第一探测光与所述第二探测光转换为电压信号。通过观察光电探测器输出的电压随波长的变化得到对应气室的吸收谱线。
请参见图3，在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括加热装置611。所述加热装置611设置于所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的外表面，用于对所述第一原子气室610与所述第二原子气室620加热，并产生大小相等方向相反的磁场。
所述第一圆偏振光与所述第二圆偏振光作为泵浦光进入到所述第一原子气室610与所述第二原子气室620中。所述加热装置611采用聚酰亚胺和无磁的镍铬材料制备，加热频率为500KHz。所述加热装置611将所述第一原子气室610与所述第二原子气室620加热到100℃。经过所述第一原子气室610与所述第二原子气室620的所述泵浦光被第一光电探测模块710与第二光电探测模块720探测。所述第一光电探测模块710与所述第二光电探测模块720可以为光电探测器。
所述加热装置611包括两个对绕的加热丝6110。两个加热丝6110通入电流后，会形成往返的驱动电流，进而产生大小相等方向相反的磁场。因此，通过两个对绕的加热丝6110可以实现磁场的相互抵消。
在一个实施例中，两个对绕的加热丝6110之间的距离在μm量级，可以更好地进行磁场抵消。在制备时，采用柔性电路板工艺，将加热丝6110放置于柔性基底上均匀对绕。柔性基底采用聚酰亚胺材料。加热丝6110采用无磁的镍铬材料。
在一个实施例中，两个对绕的加热丝6110的电阻设置较大，可以使得通过加热丝6110的电流较小，进而产生的剩余磁场也会较小。
在一个实施例中，所述加热装置611采用高频加热的方式进行加热。高频加热时，驱动电流的频率设置为500KHz，可以避免直流加热引起的剩磁。
在一个实施例中，所述第一原子气室610与所述第二原子气室620采用相同的加热方式加热，并加热至100℃。采用所述加热装置611进行加热时，控制精度为1mK。
在一个实施例中，所述信号发生模块10包括第一信号发生器110、第二信号发生器120以及信号转换器130。所述第一信号发生器110用于产生锯齿波信号。所述第二信号发生器120的输入端与所述第一信号发生器110的输出端连接。所述第二信号发生器120经所述锯齿波信号控制产生不同频率的方波电压信号。所述信号转换器130的输入端与所述第二信号发生器120的输出端连接，用于将所述方波电压信号转换成电流信号。所述信号转换器130的输出端与所述激光模块20的调制端连接，所述激光模块20经所述电流信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。
所述第一信号发生器110产生锯齿波信号，锯齿波信号接入所述第二信号发生器120，控制所述第二信号发生器120产生不同频率的方波信号。所述信号转换器130用于将方波信号的高电平和低电平转换成电流信号注入到VCSEL激光器中。所述信号转换器130可以为电压电流转换器，经电压信号转成电流信号。电流信号注入VCSEL激光器。VCSEL激光器受电流信号的调制，产生波长周期性变化的泵浦光。通过所述第一信号发生器110与所述第二信号发生器120调节电流信号的电流频率和幅值，可以实现对泵浦光波长的调制。进而，所述磁梯度系统100可以通过改变注入VCSEL激光器的电流频率和大小，实现激光输出波长范围和频率的改变。
因此，本申请所述磁梯度系统100不需要采用声光调制器就可以实现抽运光频率的调制。所述磁梯度系统100通过调制注入激光器的电流信号，改变激光输出波长，进而实现对碱金属泵浦频率的改变，实现Bell-Bloom型磁梯度计的泵浦条件。所述磁梯度系统100采用电流调制的方式控制VCSEL激光器的输出波长达到调制泵浦光的目的。所述磁梯度系统100不需要采用声光调制器、射频线圈以及磁屏蔽装置，进而可以缩小装置的体积，更容易制备出更小型化的磁梯度计。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括第一光电探测模块710、第二光电探测模块720、第一锁相放大模块810以及第二锁相放大模块820。所述第一光电探测模块710设置于所述第一探测光的光路上，用于将所述第一探测光转换成第一探测电信号。所述第二光电探测模块720设置于所述第二探测光的光路上，用于将所述第二探测光转换成第二探测电信号。所述第一锁相放大模块810的输入端分别与所述第二信号发生器120的输出端和所述第一光电探测模块710的输出端连接，用于接收所述第一探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第一探测电信号进行解调获得第一鉴频信号。
所述第二锁相放大模块820的输入端分别与所述第二信号发生器120的输出端和所述第二光电探测模块720的输出端连接，用于接收所述第二探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第二探测电信号进行解调获得第二鉴频信号。
所述第一光电探测模块710与所述第二光电探测模块720可以为光电探测器。所述第一光电探测模块710与所述第二光电探测模块720用于对所述第一探测光与所述第二探测光接收。所述方波电压信号为参考信号。所述第一探测电信号与所述方波电压信号进入所述第一锁相放大模块810。通过所述第一锁相放大模块810进行解调获得所述第一鉴频信号。所述第一鉴频信号为第一鉴频曲线。通过所述第二锁相放大模块820进行解调获得所述第二鉴频信号。所述第二鉴频信号为第二鉴频曲线。
所述第一锁相放大模块810以所述方波电压信号为参考信号，对所述第一探测电信号进行解调，获得第一共振峰曲线。通过对所述第一共振峰曲线进行微分获得所述第一鉴频信号，也就是对应的第一鉴频曲线。所述第二锁相放大模块820以所述方波电压信号为参考信号，对所述第二探测电信号进行解调，获得第二共振峰曲线。通过对所述第二共振峰曲线进行微分获得所述第二鉴频信号，也就是对应的第二鉴频曲线。
所述第一锁相放大模块810与所述第二锁相放大模块820可以为锁相放大器，调节探测电信号和方波电压信号的相位，可解调出相应的鉴频曲线，如图4所示。图4中，实线为解调出的鉴频信号(也可以理解为鉴频曲线)，虚线为共振曲线。鉴频信号包括了中部位置处的线性线段。在线性区中，线性线段的中心点对应于鉴频曲线电压的0电压值。同时，线性线段的中心点也对应共振曲线的共振峰。因此，鉴频曲线的线性线段的中心点(对应电压值为0)为共振曲线的共振峰的峰值。通过检测共振曲线的共振峰的峰值对应的频率值即可得到相应的磁场值。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括全反镜510。所述全反镜510设置于经所述半透半反镜模块50后的所述第二圆偏振光的光路上。所述全反镜510用于改变所述第二圆偏振光的光路方向，以进入所述第二原子气室620。通过所述全反镜510可以改变光路的传输方向，进而有利于所述磁梯度系统100微型化。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括计算模块830。所述计算模块830分别与所述第一锁相放大模块810的输出端和所述第二锁相放大模块820的输出端连接，用于获取所述第一鉴频信号和所述第二鉴频信号。所述计算模块830用于根据所述第一鉴频信号计算0电压处对应的第一频率值，根据所述第二鉴频信号计算0电压处对应的第二频率值，并根据所述第一频率值与所述第二频率值计算频率差值，将所述频率差值转换成磁场梯度。
所述计算模块830包括两个频率计数器与控制器。频率计数器用于检测两个鉴频信号的0电压处对应的频率值。控制器用于计算两个频率计数器检测到的频率差值，并将频率差值换算成磁场的梯度。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括电脑840，用于接收磁场的梯度数据。
请参见图5，在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括第一控制模块90。所述第一控制模块90的输入端与所述第一锁相放大模块810的输出端连接。所述第一控制模块90的输出端与所述第二信号发生器120的控制端连接，用于根据所述第一鉴频信号控制所述第二信号发生器120产生不同频率的方波电压信号。
通过所述第一锁相放大模块810进行解调获得所述第一鉴频信号和第一共振曲线。所述第一控制模块90可以为PID控制电路。通过PID控制电路设置所述第二信号发生器120的工作点。也可以理解为，当所述第一原子气室610所在位置的磁场发生变化时，所述第一共振峰曲线的共振峰的峰值发生偏移，共振峰的峰值对应的第一鉴频信号(也可以理解为第一鉴频曲线)的电压发生变化，偏离0电压值。通过所述第一锁相放大模块810获得电压补偿值进行自适应补偿，并将电压补偿值输出至所述第二信号发生器120，对所述方波电压信号进行调制，进而对所述电流信号进行调制，从而使得所述激光模块20的泵浦频率锁定在所述第一原子气室610所处位置的磁场的拉莫尔进动频率。
所述第二信号发生器120、所述第一锁相放大模块810以及所述第一控制模块90形成了闭环回路。所述第二信号发生器120输出的方波电压信号的调制频率会根据所述第一原子气室610中对应的拉莫尔进动频率发生改变。所述第二原子气室620与所述第一原子气室610共用相同的所述第二信号发生器120。因此，对VCSEL激光器的调制频率也会被设置在与所述第一原子气室610相同的位置。VCSEL激光器输出的泵浦光进入所述第二原子气室620。所述第二原子气室620检测到的磁场大小和所述第一原子气室610检测的磁场大小有一定的差异。所述第二原子气室620检测到的磁场信号为需要检测的心磁信号或脑磁信号。心磁信号或脑磁信号引起的频率差异并不大，仍然处于鉴频曲线的线性区域。
因此，所述磁梯度系统100将所述第一原子气室610进行锁定。所述第二原子气室620工作在所述第一原子气室610的调制频率下。进而，所述第一原子气室610的调制频率对应的所述第二鉴频信号对应的电压值不为0，记为第二鉴频信号电压值。通过所述第二鉴频信号的线性区标定电压频率转换系数，对第二鉴频信号电压值进行换算，获得所述第二原子气室620与所述第一原子气室610共振峰对应频率的差值。从而，根据共振峰对应频率的差值，可以获得两个气室之间磁场的梯度。
所述第二信号发生器120根据第一鉴频信号对应的0电压值对应的频率值，控制方波电压信号的输出频率，进而控制VCSEL激光器的调制频率，输出泵浦光。所述磁梯度系统100以所述第一原子气室610检测到的磁场作为基准。所述第一原子气室610会随外界磁场变化改变锁定的频率点。通过闭环回路，将所述磁梯度系统100锁定在对应的拉莫尔进动频率上。所述第二原子气室620检测频率差值得到磁场的梯度。本实施例中检测梯度的方式是通过鉴频曲线线性区域输出电压得到的。在鉴频曲线线性区的范围内，检测电压容易获得更低的噪声，进而获得更高的磁灵敏度，如图6所示。
在一个实施例中，所述圆偏振模块40包括线偏振片410与四分之一波片420。所述线偏振片410设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上。所述四分之一波片420设置于经所述线偏振片410后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。
所述线偏振片410用于调节所述光功率稳定的泵浦光的偏振态，形成线偏振的泵浦光。所述四分之一波片420用于将线偏振的泵浦光转换成圆偏振光。
请参见图7，在一个实施例中，所述调制信号为半拉莫尔调制信号。半拉莫尔调制，可以理解为电流的高电平处对应的波长位于吸收光谱最低点处波长蓝失谐40GHz。电流的低电平处对应的波长位于吸收光谱最低点处波长红失谐40GHz。电流的调制频率为半拉莫尔进动频率时发生共振。调制电流一个周期内会经过两次吸收谱线的最低点，电流的调制频率是光泵浦频率的一半。
也可以理解为，所述信号发生模块10调节VCSEL激光器的注入电流，采用半拉莫尔频率调制，电流调制产生的电信号干扰频率为半拉莫尔频率，远离了拉莫尔进动频率。VCSEL激光器发出覆盖共振峰的频率范围的波长长短变化的泵浦光。进而，所述磁梯度系统100不会产生拉莫尔频率的电信号干扰，减少了电信号干扰，提高了系统的信噪比。从而，所述磁梯度系统100采用半拉莫尔调制信号，提高了泵浦效率，提高了灵敏度。所述磁梯度系统100在保证测量心磁和脑磁等信号灵敏度的前提下，能够实现装置的简化和小型化，降低了装置的功耗。
本申请所述磁梯度系统100通过测量磁梯度，可以进一步提高测量灵敏度。本申请所述磁梯度系统100采用两种磁场检测方案尽可能克服了扫描过程中两个气室共振峰被先后检测而产生的不同步问题，解决了在不使用声光调制器的情况下磁场测量问题。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100还包括第一透镜210、第一光纤耦合器220、第二光纤耦合器230以及第二透镜240。所述第一透镜210设置于所述泵浦光的光路上。所述第一光纤耦合器220设置于经所述第一透镜210后的所述泵浦光的光路上。且所述光纤耦合器220与所述功率衰减器310的输入端连接。所述第二光纤耦合器230与所述功率衰减器310的输出端连接。所述第二透镜240设置于经所述第二光纤耦合器230的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。所述圆偏振模块40设置于经所述第二透镜240后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。
所述第一透镜210用于对所述泵浦光进行准直。所述第一光纤耦合器220用于将空间光转换成光纤传播的光，进而有利于接入所述功率衰减器310。所述第二光纤耦合器230用于将光功率稳定的泵浦光转换成空间光进行传输。所述第二透镜240用于对所述光功率稳定的泵浦光进行准直，并依次经过所述线偏振片410与所述四分之一波片420，形成圆偏振光。所述第一光纤耦合器220与所述第二光纤耦合器230的耦合效率在80％以上。
在一个实施例中，本申请提供一种磁梯度系统的检测方法，采用上述实施例中任一所述的磁梯度系统100进行检测。
所述磁梯度系统的检测方法，首先对注入VCSEL激光器的电流信号的频率进行大范围的扫描，寻找两个气室的共振峰之后，进一步缩小电流信号的频率的扫描范围。当获得两个气室的共振峰之后，可以控制扫描范围减小到10Hz或者更小。进而，所述磁梯度系统的检测方法获得的扫描范围，可以同时检测到两个气室共振峰对应的频率。
当检测到两个气室共振峰对应的频率时，缩短扫描时间。设置扫描时间为0.01s，可以理解为0.01s扫描一次。本申请所述磁梯度系统的检测方法，可以实现1s采集100个点，也可以理解为1s可重复得到100次频率差值。
所述磁梯度系统的检测方法还包括多次测量取平均的方式，对测量的心磁或脑磁信号进行平滑处理。
在一个实施例中，所述磁梯度系统100可以应用于弱地磁环境下或地磁环境下，对微弱磁场梯度进行测量。
所述磁梯度系统100还可以应用于心磁信号和脑磁信号的检测。心磁信号为pT量级，脑磁信号为fT量级。在保证测量心磁信号和脑磁信号灵敏度的前提下，所述磁梯度系统100不需要庞大的磁屏蔽装置和无磁杜瓦结构，降低了设备的成本和测量条件，可在无磁屏蔽的环境下实现微弱磁场的测量。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述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申请专利范围的限制。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)

1.一种磁梯度系统，其特征在于，包括：
信号发生模块(10)，用于产生周期性变化的调制信号；
激光模块(20)，与所述信号发生模块(10)连接，所述激光模块(20)经所述调制信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光；
光功率稳定模块(30)，设置于所述泵浦光的光路上，用于将所述泵浦光转换成光功率稳定的泵浦光；
圆偏振模块(40)，设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光；
半透半反镜模块(50)，设置于所述圆偏振光的光路上，用于将所述圆偏振光转换成第一圆偏振光与第二圆偏振光；
第一原子气室(610)，设置于所述第一圆偏振光的光路上，所述第一圆偏振光经所述第一原子气室(610)后出射第一探测光；
第二原子气室(620)，设置于所述第二圆偏振光的光路上，所述第二圆偏振光经所述第二原子气室(620)后出射第二探测光。
2.根据权利要求1所述的磁梯度系统，其特征在于，所述信号发生模块(10)包括：
第一信号发生器(110)，用于产生锯齿波信号；
第二信号发生器(120)，所述第二信号发生器(120)的输入端与所述第一信号发生器(110)的输出端连接，所述第二信号发生器(120)经所述锯齿波信号控制产生不同频率的方波电压信号；
信号转换器(130)，所述信号转换器(130)的输入端与所述第二信号发生器(120)的输出端连接，用于将所述方波电压信号转换成电流信号；
所述信号转换器(130)的输出端与所述激光模块(20)的调制端连接，所述激光模块(20)经所述电流信号调制后，输出波长周期性变化的泵浦光。
3.根据权利要求2所述的磁梯度系统，其特征在于，还包括：
第一光电探测模块(710)，设置于所述第一探测光的光路上，用于将所述第一探测光转换成第一探测电信号；
第二光电探测模块(720)，设置于所述第二探测光的光路上，用于将所述第二探测光转换成第二探测电信号；
第一锁相放大模块(810)，所述第一锁相放大模块(810)的输入端分别与所述第二信号发生器(120)的输出端和所述第一光电探测模块(710)的输出端连接，用于接收所述第一探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第一探测电信号进行解调获得第一鉴频信号；
第二锁相放大模块(820)，所述第二锁相放大模块(820)的输入端分别与所述第二信号发生器(120)的输出端和所述第二光电探测模块(720)的输出端连接，用于接收所述第二探测电信号与所述方波电压信号，并根据所述方波电压信号对所述第二探测电信号进行解调获得第二鉴频信号。
4.根据权利要求3所述的磁梯度系统，其特征在于，还包括：
计算模块(830)，所述计算模块(830)分别与所述第一锁相放大模块(810)的输出端和所述第二锁相放大模块(820)的输出端连接，用于获取所述第一鉴频信号和所述第二鉴频信号；
所述计算模块(830)用于根据所述第一鉴频信号计算0电压处对应的第一频率值，根据所述第二鉴频信号计算0电压处对应的第二频率值，并根据所述第一频率值与所述第二频率值计算频率差值，将所述频率差值转换成磁场梯度。
5.根据权利要求4所述的磁梯度系统，其特征在于，还包括：
第一控制模块(90)，所述第一控制模块(90)的输入端与所述第一锁相放大模块(810)的输出端连接，所述第一控制模块(90)的输出端与所述第二信号发生器(120)的控制端连接，用于根据所述第一鉴频信号控制所述第二信号发生器(120)产生不同频率的方波电压信号。
6.根据权利要求1所述的磁梯度系统，其特征在于，所述光功率稳定模块(30)包括：
功率衰减器(310)，所述功率衰减器(310)的输入端与所述激光模块(20)的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出所述光功率稳定的泵浦光；
第三光电探测模块(320)，与所述功率衰减器(310)的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第三探测信号；
第二控制模块(330)，所述第二控制模块(330)的输入端与所述第三光电探测模块(320)的输出端连接，所述第二控制模块(330)的输出端与所述功率衰减器(310)的控制端连接，用于根据所述第三探测信号控制所述功率衰减器(310)输出所述光功率稳定的泵浦光。
7.根据权利要求1所述的磁梯度系统，其特征在于，所述圆偏振模块(40)包括：
线偏振片(410)，设置于所述光功率稳定的泵浦光的光路上；
四分之一波片(420)，设置于经所述线偏振片(410)后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成圆偏振光。
8.根据权利要求1所述的磁梯度系统，其特征在于，所述调制信号为半拉莫尔调制信号。
9.根据权利要求6所述的磁梯度系统，其特征在于，还包括：
第一透镜(210)，设置于所述泵浦光的光路上；
第一光纤耦合器(220)，设置于经所述第一透镜(210)后的所述泵浦光的光路上，且所述第一光纤耦合器(220)与所述功率衰减器(310)的输入端连接；
第二光纤耦合器(230)，与所述功率衰减器(310)的输出端连接；
第二透镜(240)，设置于经所述第二光纤耦合器(230)的所述光功率稳定的泵浦光的光路上；
所述圆偏振模块(40)设置于经所述第二透镜(240)后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。
10.一种磁梯度系统的检测方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的磁梯度系统进行检测。
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