CN114089235B - 单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法及原子磁力仪，包括步骤：光强调制器对激光光强进行周期性调制，得到调制泵浦光；调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，获得探测光；信号探测器接收由折返后探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取偏振旋转角度信号，所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头的原子气体室上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。本发明解决了现有技术中输入两束激光来检测磁场而导致整个系统的光路复杂，不利于原子磁力仪的小型化和阵列化设计、降低了其适用性的问题。

Description

单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，特别涉及单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪。

背景技术

磁场探测在资源勘探、地球物理、无损检测、生物医疗、国防军事以及基础科学等领域有着广泛需求。例如：在国防工业领域中用于反潜、导航、资源勘探、无损检测等；在生物医学领域中用于对心脏、大脑等器官进行磁成像，为医学诊断提供新的成像手段；在基础学科研究领域中用于寻找中性粒子中的永久电偶极矩、检验基本对称性等。目前灵敏度最高的商业磁力仪是超导量子干涉磁力仪，随着量子光学和高分辨率激光光谱学的发展，基于原子与光相互作用的原子磁力仪成为新的研究热点。相较于超导量子干涉磁力仪，原子磁力仪具有结构简单、灵敏度高、体积小、功耗低等优势，而且不需要像超导量子干涉磁力仪那样需要液氦冷却来维持设备的正常运行，其维护使用成本较低，有望成为有广泛应用价值的新一代磁场探测装置和设备。

但是，目前的原子磁力仪通常采用两束激光进行作用后来检测磁场，其中具体为采用一束泵浦光和一束探测光的构型来达到较高的灵敏度，在空间和时间上将原子自旋极化的泵浦和探测分开来实现磁场探测。然而采用一束泵浦光和一束探测光的构型需要比较多的光学元件以及更复杂的调控手段来使两束光协调工作，因此导致整个系统的光路较为复杂，不利于原子磁力仪的小型化和阵列化设计，制约了原子磁力仪的使用范围，降低了其适用性。

因此，现有的技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪系统，通过对单束光在空间折返过程中光束直径和功率的调整，依次产生强泵浦光以及弱探测光，能够保证在较高灵敏度的前提下，实现结构紧凑的小型化磁力仪，从而能够实现原子磁力仪探头阵列化和抵近待测磁场源，解决现有技术中通过同时输入两束激光来检测磁场而导致整个系统的光路复杂，同时不利于原子磁力仪的小型化和阵列化设计、降低了其适用性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，包括步骤：

光强调制器对激光光强进行周期性调制，得到调制泵浦光；

调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光，其中所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强；

信号探测器接收由折返后探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头的原子气体室上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；

对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

进一步，所述调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光的步骤中，所述光束调节器为光束调节模块；

具体步骤包括：

将经过原子气体室后的所述调制泵浦光再通过光学偏振片或者偏振分光棱镜，得到线偏振光；

将所述线偏振光依次通过光强衰减器或激光相移片，通过光阑或聚焦透镜，得到光强衰减、光斑直径变小的探测光。

进一步，所述信号探测器接收由折返的探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤具体包括：

将所述探测光反射回所述原子气体室，在原子气体室内极化态原子的拉莫尔进动作用下得到所述偏振面发生旋转的变化探测光；

信号探测器接收所述变化探测光。

进一步，所述调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光的步骤中，所述光束调节器为光束分束器，所述光束分束器的中心部分为分光片、外围部分为增透膜；

具体步骤包括：将所述调制泵浦光经过原子探头中的光束分束器，得到位于中心的探测光，同时得到位于外围的泵浦光。

进一步，所述信号探测器接收由折返的探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤具体包括：

将调制泵浦光以及探测光通过原子探头的原子气体室；

将经过原子气体室后的调制泵浦光以及探测光进行反射，并回到原子气体室后，得到所述偏振面发生旋转的变化探测光；

信号探测器接收所述变化探测光。

进一步，所述对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值的步骤包括：

对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率；

根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率；

根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

基于同样的构思，本发明还公开一种原子磁力仪，包括：激光光源、光强调制器、原子探头、信号探测器以及控制器；

所述激光光源用于发出单光束的激光；

所述原子探头内设置有光束调节器，所述光束调节器用于通过调制泵浦光获得探测光；

所述控制器分别与所述激光光源、所述光强调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如权利要求1-6任一所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法。

进一步，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于激光入射侧；

非偏振光束分束器，所述非偏振光束分束器位于所述偏振片的出光侧；

平面反射镜，所述平面反射镜位于所述非偏振光束分束器背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述非偏振光束分束器与所述平面反射镜之间；

所述光束调节器为光束调节模块，所述光束调节模块位于所述原子气体室与所述平面反射镜之间，其中所述光束调节模块包括：依次设置的光学偏振片或者偏振分光棱镜，光强衰减器或激光相移片，光阑或聚焦透镜；

调制泵浦光穿过偏振片并透射通过非偏振光束分束器进入到原子气体室，经过光束调节模块后得到的探测光被平面反射镜反射后折返，再依次经过光束调节模块、原子气体室后被非偏振光束分束器反射后，由信号探测器所接收。

进一步，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于激光入射侧；

所述光束调节器为光束分束器，所述光束分束器位于所述偏振片的出光侧，其中所述光束分束器的中心部分为分光片、外围部分为镀增透膜；

平面反射镜，所述平面反射镜位于所述光束分束器背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述光束分束器与所述平面反射镜之间；

调制泵浦光穿过偏振片并透射通过光束分束器后得到调制泵浦光和探测光，并进入原子气体室，所述探测光被平面反射镜反射后折返，再经过原子气体室后被光束分束器反射后由信号探测器所接收。

进一步，所述光束分束器的中间部分的所述分光片的直径范围内对激光的透射率为10％、反射率为90％；

所述光束分束器的外围的镀增透膜的透射率为99％-100％。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪。通过光强调制器对激光的光强进行周期性调制，获取到单一的且带调制信号的调制泵浦光，这样选用光强较强的泵浦光，是因为较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，而极化度高的原子更利于系统的检测，从而提升信号强度。再通过调制泵浦光获取到探测光，所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强。从而通过调制泵浦光获取到探测光，这样探测光和调制泵浦光的协调性好，不需要复杂的调控手段，使得整个系统的光路简单。同时较弱的探测光能够减少探测光强所引入的散粒噪声，光强较弱的探测光在所述极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振面发生旋转的变化探测光，通过信号获取模块接收所述变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。通过本方案，利用一束激光在空间上依次产生光强较强的调制泵浦光以及光强较弱的探测光，可以保证系统拥有较高的灵敏度。而且将探测光进行折返后再产生变化探测光的构型，可以有效地简化原子磁力仪系统，使得磁力仪结构更加紧凑、探测区域更加靠近待测目标磁场位置，有利于磁力仪探头的小型化和阵列化设计。而小型化的磁力仪探头使用范围更广，增强了原子磁力仪的适用性。

附图说明

图1为本发明单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法的主要步骤的流程图。

图2为本发明单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法的一种优选实施例的流程图。

图3为本发明单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法的另一种优选实施例的流程图。

图4为本发明单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法的效果对比图。

图5为本发明一种原子磁力仪的电路原理框图。

图6为本发明一种原子磁力仪的一种原子探头的工作原理示意图。

图7为本发明一种原子磁力仪的一种原子探头中光束调节模块的工作原理示意图。

图8为本发明一种原子磁力仪系统的一种原子探头中光束调节模块的结构示意图。

图9为本发明一种原子磁力仪系统的另一种原子探头的工作原理示意图。

图10为本发明一种原子磁力仪系统的另一种原子探头中光束分束器的结构原理示意图。

图中各标号：10、激光光源；20、光强调制器；30、原子探头；31、偏振片；32、非偏振光束分束器；33、原子气体室；34、光束调节器；341、极化片；342、光强衰减器；343、光阑；344、分光片；345、镀增透膜；35、平面反射镜；36、光束分束器；40、信号探测器；50、控制器。

具体实施方式

本发明提供了单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。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。

全光型原子磁力仪的基本工作原理如下：首先，一束激光照射到碱金属原子气体上，对原子进行泵浦过程，使得原子布居在磁子能级上重新分布，宏观上表现为原子具有一定的极化取向，此过程即原子的极化态制备过程；然后极化原子将围绕外磁场方向进行拉莫尔进动，其进动频率(即拉莫尔频率)与外磁场大小成正比；线偏振探测光照射到进动的极化原子上，其偏振平面将发生旋转，该旋转角正比于外磁场大小。整个过程即全光型原子磁力仪的开环结构。

全光型原子磁力仪闭环测量磁场的基本原理如下：首先，对原子的极化态制备进行调制；然后，经过原子拉莫尔进动作用后的线偏振光的偏振平面发生旋转，接收线偏光的偏振旋转角信号进行解调，当调制信号的频率等于两倍拉莫尔频率时，解调信号达到极值。我们可以通过扫描调制信号的频率得到解调信号的极值点，获得拉莫尔频率，进而得到磁场的大小。

如图1、图2所示，本发明基于上述基本原理进行改进，提供一种单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其中本磁场测量方法包括步骤：

步骤S100、控制激光光源通电后发出激光并采集激光，获取激光光源的频率误差信号。

具体为，激光光源通电后，可通过控制器的控制而开启发出激光，激光光源由激光管、激光驱动电源、以及激光频率探测装置构成，激光驱动电源通电后驱动激光管产生激光，激光频率探测装置检测激光的频率，便于对激光的频率进行控制。

步骤S120、根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光。

具体为，激光频率探测装置对激光光源发出的激光进行采集后检测，获取到发射的激光的频率，通过与设定的频率进行对比，可以得到频率误差信号。控制器根据频率误差信号，计算得到正发射的激光与预设的激光频率的差值后，发送控制指令给激光驱动电源，激光驱动电源根据不同的控制指令进行电流调整，使发出的激光的频率稳定在设定的激光频率值上。

例如，实现反馈控制的过程为：激光光源的激光管发出激光，发出的激光被激光频率探测装置检测，得到发出激光的实际频率，控制器进行计算，当实际频率大于预设的激光频率时，控制器发出控制信号到激光驱动电源，激光驱动电源调小控制激光的电流，从而使激光的频率变小，从而使发出激光的频率调整到与预设频率相等的大小；当实际频率小于预设的激光频率时，控制器发出控制信号到激光驱动电源，激光驱动电源调大控制激光的电流，从而使激光的频率变大，从而使发出激光的频率调整到与预设频率相等的大小。通过上述过程，使本实施例中的所述激光光源所产生的波长为795nm的稳定激光，通过饱和吸收锁定的方式将激光频率稳定在⁸⁷Rb的F＝2→F'＝1的谱线上。

步骤S200、光强调制器对激光光强进行周期性调制，得到调制泵浦光。

光强调制器由光调制器、射频信号发生器、射频放大器构成。本实施例中控制光调制器对稳定激光进行移频，产生线偏振激光。具体过程中，提供一光调制器，可通过光调制器对激光光强进行周期性调制，得到调制泵浦光，并通过控制器进行开启或关闭，例如当所述激光光源所产生波长为795nm的稳定激光后，再通过光调制器对激光进行移频，产生近共振泵浦光，其失谐量为90MHz。近共振的线偏振激光是指频率接近共振频率的线偏振激光，主要根据相互作用强度以及实验系统所使用的原子特性来确认。

另外，光强调制器在控制器指令的控制下，实现对激光光强强弱的周期性调制。从而得到带调制信号的调制泵浦光。具体为：由控制器控制所述光强调制器的射频信号发生器产生一个周期为T’的调制信号，并通过射频放大器进行放大后，使信号更清晰后叠加到泵浦光上，通过该信号，使泵浦光具有明确的性能参数，如该调制信号作用在泵浦光上的调制过程是对其一项光参量进行周期性调制。其中可以是泵浦光的频率进行周期性调制、强度进行周期性调制或者偏振进行周期性调制，本实施例中对泵浦光的光强进行周期性调制，调制后所产生带有调制信号的调制泵浦光作用到原子上，使原子态极化，从而实现原子极化态的制备。本实施例中的调制信号的频率为极化态原子拉莫尔进动频率的倍数，通过叠加与极化态原子拉莫尔进动频率倍数的周期调制信号，实现被测磁场信号的探测和实时跟踪。

如图1所示，步骤S300、调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光，其中所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强。

具体过程中，如图7、图8所示，光束调节器可以是光束调节模块或者光束分束器。带调制信号的调制泵浦光通过原子探头中的光束调节器的作用，使调制泵浦光的部分光转换为探测光，使所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强。本实施例中的光强较强、光斑较大的调制泵浦光(Pump)参数选取为平均光强P1＝100μW、光斑大小D1＝3mm。光强较弱、光斑较小的探测光(Probe)参数选取为平均光强P2＝7.8μW、光斑大小D2＝2mm。这样在空间上实现原子极化的泵浦和探测构型。由于探测光是由原来的调制泵浦光所转化而来，那么探测光和调制泵浦光的协调性好，不需要复杂的调控手段，而且整个系统的光路简单。

步骤S400、信号探测器接收由折返后探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头的原子气体室上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生。

根据光束调节器的结构形式不同，本方案的具体方式有两种形式，如图2所示，其中第一种实施形式为：

步骤S300中的所述光束调节器为光束调节模块，具体包括步骤：

步骤S310、将经过原子气体室后的所述调制泵浦光再通过光学偏振片或者偏振分光棱镜，得到线偏振光。

步骤S311、将所述线偏振光依次通过光强衰减器或激光相移片，通过光阑或聚焦透镜，得到光强衰减、光斑直径变小的探测光。

步骤S400具体包括步骤：

步骤S410、将所述探测光反射回所述原子气体室，在原子气体室内极化态原子的拉莫尔进动作用下得到所述偏振面发生旋转的变化探测光。

步骤S411、信号探测器接收所述变化探测光。

具体过程中，经过所述原子探头30的原子气体室33后的所述调制泵浦光已经对原子气体室33内的原子进行了极化过程，而后从原子气体室33所射出的调制泵浦光经过极化片341，调节调制泵浦光的偏振方向。偏振方向改变后的调制泵浦光通过光强衰减器342或激光相移片，本实施例中激光相移片一般选取半波片。接着通过光阑343或聚焦透镜，改变激光的光斑直径大小，从而得到光强变弱、光斑直径变小的探测光。光强较强、光斑较大的泵浦光经过上述光束调节模块的调整过程后，获得光强较弱、光斑较小的探测光。将所述探测光反射回所述原子气体室，在原子气体室内极化态原子的拉莫尔进动作用下得到所述偏振面发生旋转的变化探测光。

具体为，光强较强、光斑较大的泵浦光经过上述光束调节器的调整过程后，获得光强较弱、光斑较小的探测光后，将该探测光经过平面反射镜进行反射而折返回原子气体室对磁场进行探测。

如图3所示，第二种实施形式为：

步骤S300中的所述光束调节器为光束分束器，所述光束分束器的中心部分为分光片、外围部分为镀增透膜。第二种具体实施方式的具体步骤包括：

步骤S320、将所述调制泵浦光经过原子探头中的光束分束器，得到位于中心的探测光，同时得到位于外围的泵浦光。

具体为，光束分束器的结构为特制结构，即所述光束调节器34采用光束分束器，所述特制光束分束器的中心部分为分光片344、外围部分为镀增透膜345。这样当所述调制泵浦光通过原子探头30中的特制光束分束器后，原来的调制泵浦光的外围通过镀增透膜345，基本不会衰减，还能保持原来的调制泵浦光的性能，因此从外围镀增透膜345中射出的光仍为调制泵浦光。而调制泵浦光经过中心部分的分光片344将调制泵浦光转化为光强较低、光斑直径较小的探测光。

步骤S400具体包括：

步骤S420、将调制泵浦光以及探测光通过原子探头的原子气体室；

步骤S421、将经过原子气体室后的调制泵浦光以及探测光进行反射，并回到原子气体室后，得到所述偏振面发生旋转的变化探测光。

步骤S423、信号探测器接收所述变化探测光。

具体过程中，经过特制的光束分束器后所得到的调制泵浦光和探测光通过原子气体室，调制泵浦光对原子气体室内的原子进行极化过程，而探测光再经过平面反射镜反射折返回原子气体室，在极化原子的作用下，得到所述偏振面发生旋转的变化探测光，从而对磁场进行探测。

如图1所示，通过上述步骤S300、步骤S400的过程，在原子探头中的原子气体室通过调制泵浦光的作用下获取极化态原子，此时原子探头置于待测磁场中，所述极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，当折返的探测光照射到在进行拉莫尔进动的极化态原子后，探测光的偏振面发生旋转，形成变化探测光。提供一信号探测器接收所述变化探测光，所述信号探测器可通过控制器进行控制，控制器控制所述信号探测器接收到变化探测光后，通过分析并获取变化探测光的偏振旋转角度信号。

如图2、图3所示，步骤S500、对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

具体过程中，近共振的激光照射到碱金属原子气体上，对原子进行泵浦过程，使得原子布居在磁子能级上重新分布，宏观上表现为原子具有一定的极化取向，此过程即原子的极化态制备过程。再对原子的极化态制备进行调制，该调制过程可以是泵浦光的频率调制、强度调制或者偏振调制，得到上述的调制泵浦光，调制泵浦光照射到原子探头进行原子极化过程，在待测磁场作用下进行拉莫尔进动。当探测光照射到拉莫尔进动的极化原子上时，探测光发生变化，产生上述偏振面发生旋转的变化探测光，信号探测器接收到变化的探测光后，通过控制器分析得到偏振旋转角度信号。控制器对探测光的偏振旋转角信号进行解调，当调制信号的频率等于两倍拉莫尔频率时，解调信号达到极值。这样通过扫描调制信号的频率得到解调信号的极值点，获得拉莫尔频率，进而得到磁场的大小。基于上述原理，控制器可对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

如图2、图3所示，步骤S500具体包括：

步骤S510、对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率。

步骤S520、根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率。

步骤S530、根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

控制器通过解调得到解调信号的极值点，处于极值点所对应的调制信号的频率值为两倍拉莫尔频率值，调制信号的频率值可以通过扫描得到，是已知的数值，当调制信号的周期为T’时，调制信号的频率为周期的倒数1/T’，这样就可以得到极化态原子的拉莫尔频率值，即为二分之一的1/T’。拉莫尔频率值与外磁场大小成正比，所述控制器根据极化态原子的拉莫尔进动频率与待测磁场的正比关系，计算出待测磁场的值。

另外的实施例中，即原子的拉莫尔进动频率较小，外部磁场较弱时，这样导致原子的拉莫尔进动过程不明显，对探测光的作用就不明显，因此需要增加磁场从而增强整个待测磁场。在所述原子探头中提供一大小值已知的匀强磁场，其中所述匀强磁场的方向与目标磁场的方向相同，所述待测磁场的值为匀强磁场的值加上目标磁场的值。这样待测磁场为匀强磁场加上目标磁场，本实施例中的目标磁场的值为需要计算的磁场值。当通过本方法测得待测磁场的值后，再减去匀强磁场值就能得到目标磁场值。

通过对单一的调制泵浦光(单光束)在空间折返过程中光束直径和功率的调整，依次产生光强较强、光束直径较大的泵浦光以及光强较弱、光束直径较小的探测光，光强较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，而极化度高的原子更利于系统信号的检测，从而提升信号强度。光强较弱的探测光能够有效减少探测光强所引入的散粒噪声。使用光斑大小较大的泵浦光对原子进行极化以及使用光斑大小较小的探测光对系统进行探测，这样能够使得探测区域内以及探测区域周围的原子极化基本保持一致，从而整体提升原子的极化度，进而能够提升信号强度。如图4所示，给出了单束光折返泵浦探测构型磁场测量方法的效果对比结果。图中Vpp表示单束光折返泵浦探测构型下扫描磁场信号得到的旋转角峰峰值，V₀表示通常的单束恒定光单次通过构型下扫描磁场信号得到的旋转角峰峰值。图4给出了在固定探测光功率条件下，信号强度增加的倍率(Vpp/V₀)随泵浦光光强改变的变化趋势。其中，当泵浦光光强为P1＝100μW，探测光光强为P2＝7.8μW时，信号强度提升了约13倍，从整体趋势来看，当泵浦光光强大于30μW时，信号强度可以提升约1个数量级，因此灵敏度也能够提升约1个数量级。

如图5所示，基于相同的发明构思，本方案还提出一种原子磁力仪，其中包括：激光光源10、光强调制器20、原子探头30、信号探测器40以及控制器50；所述激光光源10用于发出单光束的激光，所述原子探头30内设置有光束调节器34，所述光束调节器34用于制备光强较弱、光斑直径较小的探测光。所述控制器50分别与所述激光光源10、所述光强调制器20、所述信号探测器40电性连接，并实现如上所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法。

具体为：所述的激光光源10包括激光管、激光驱动电源、激光频率探测装置。所述的光强调制器20包括声光调制器，射频信号发生器、射频放大器。所述控制器50包括CPU、模拟/数字信号输入输出模块、信号处理模块(软件)、数据存储器。工作过程中，所述激光光源10发射出激光，经过所述声光调制器调制后作用到原子探头30，控制器50实现对激光频率的稳定、对激光光强强弱的周期调制进行控制，并控制信号探测器40对原子探头30所发出的变化探测光的信号进行采集。另外，信号探测器40和控制器50可以一体式设置，如集成为计算机，通过计算机进行信号控制与采集。

如图6、图9所示，本实施例中的所述原子探头30的光路结构有两种方式，如图6所示，第一种光路结构为：所述原子探头30具体还包括：偏振片31，非偏振光束分束器32，原子气体室33，光束调节器34(其中，所述光束调节器34采用光束调节模块)，平面反射镜35。所述偏振片31位于激光入射侧，所述非偏振光束分束器32位于所述偏振片31的出光侧，所述平面反射镜35位于所述非偏振光束分束器32背离所述偏振片31的一侧，所述原子气体室33位于所述非偏振光束分束器32与所述平面反射镜35之间，所述光束调节模块位于所述原子气体室33与所述平面反射镜35之间，如图7、图8所示，其中所述光束调节模块包括：依次设置的极化片341或者偏振分光棱镜、光强衰减器342或者激光相移片以及光阑343或者聚焦透镜。以调制泵浦光水平射出为例，调制泵浦光穿过偏振片31并透射通过非偏振光束分束器32进入到原子气体室33，调制泵浦光对原子气体室33内的原子进行极化，然后调制泵浦光经过光束调节模块，在光束调节模块内依次经过极化片341或者偏振分光棱镜、光强衰减器342或者激光相移片，以及光阑343或者聚焦透镜后得到光强较弱、光斑较小的探测光，如图8所示。得到的探测光被平面反射镜35反射后180°折返，再依次经过光束调节模块、原子气体室33，如图7所示，探测光在原子气体室33内的极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振面旋转的变化探测光，然后变化探测光被非偏振光束分束器32反射后改变方向，与水平方向呈90°射出，并由信号探测器40所接收。通过第一种光路结构，实现激光的单路反射式结构，简化光路。

如图9所示，另一种所述原子探头30包括：所述原子探头30还包括：偏振片31，光束调节器(其中，所述光束调节器采用光束分束器36)，原子气体室33，平面反射镜35。所述偏振片31位于激光入射侧，所述光束分束器36位于所述偏振片31的出光侧，其中所述光束分束器36的中心部分为分光片344、外围部分为镀增透膜345。如图9所示，所述平面反射镜35位于所述光束调节器背离所述偏振片31的一侧，所述原子气体室33位于所述光束分束器36与所述平面反射镜35之间。以调制泵浦光(Pump)水平射出为例，调制泵浦光穿过偏振片31并透射通过光束分束器36，调制泵浦光通过镀增透膜345的外围部分光强基本不减，仍为原来特性的泵浦光(调制泵浦光)，该调制泵浦光的光斑较大，且光强未衰减，因此得到光强较强、光斑较大的泵浦光。而通过中心部分的分光片344后得到探测光(Probe)的光强较弱，光斑较小，这样将得到的调制泵浦光和探测光一起进入原子气体室33，所述调制将泵浦光对原子气体室33内的原子进行极化过程，而探测光被平面反射镜35反射后180°折返，探测光再经过原子气体室33，探测光在原子气体室33内的极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振面旋转的变化探测光，变化探测光射出到光束分束器，并被光束分束器反射后由信号探测器40所接收。第二种结构，基于特制的光束分束器，进一步简化单路反射式系统光路，使探头更加接近得侧磁场。

所述分光片344的轮廓范围内(A1)对激光的透射率为10％、反射率为90％。所述镀增透膜345的轮廓范围内(A2)的透射率为99％-100％。特制光束分束器的外部形状可以是圆形也可以是方形，没有特定的要求，本实施例中选取为方形。

综上所述，本发明提出的一种单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法以及原子磁力仪。通过光强调制器对激光的光强进行周期性调制，获取到单一的且带调制信号的调制泵浦光，这样选用光强较强的泵浦光，是因为较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，而极化度高的原子更利于系统的检测，从而提升信号强度。再通过调制泵浦光获取到探测光，所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强。通过调制泵浦光获取到探测光，这样探测光和调制泵浦光的协调性好，不需要复杂的调控手段，而且能够使整个系统的光路简单。同时较弱的探测光能够减少探测光强所引入的散粒噪声，光强较弱的探测光在所述极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振面旋转的变化探测光，通过信号获取模块接收所述变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。通过本方案，利用一束激光在空间上依次产生光强较强、光束直径较大的调制泵浦光以及光强较弱、光束直径较小的探测光，可以保证系统拥有较高的灵敏度。而且将探测光进行折返后再产生变化探测光的构型，可以有效地简化原子磁力仪系统，使得磁力仪结构更加紧凑、探测区域更加靠近待测目标磁场位置，有利于磁力仪探头的小型化和阵列化设计。而小型化的磁力仪探头使用范围更广，增强了原子磁力仪的适用性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，包括步骤：

光强调制器对激光光强进行周期性调制，得到调制泵浦光；

调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光，其中所述探测光的光斑直径小于所述调制泵浦光的光斑直径，所述探测光的光强小于所述泵浦光的光强；其中所述调制泵浦光为线偏振光；将所述线偏振光通过光束调节器后，得到光强衰减、光斑直径变小的探测光；

信号探测器接收由折返的探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头的原子气体室上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；

对偏振旋转角信号进行解调，并根据调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

2.根据权利要求1所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，所述调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光的步骤中，所述光束调节器为光束调节模块；

具体步骤包括：

将经过原子气体室后的所述调制泵浦光再通过光学偏振片或者偏振分光棱镜，得到线偏振光；

将所述线偏振光依次通过光强衰减器或激光相移片，通过光阑或聚焦透镜，得到光强衰减、光斑直径变小的探测光。

3.根据权利要求2所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，所述信号探测器接收由折返的探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤具体包括：

将所述探测光反射回所述原子气体室，在原子气体室内极化态原子的拉莫尔进动作用下得到所述偏振面发生旋转的变化探测光；

信号探测器接收所述变化探测光。

4.根据权利要求1所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，所述调制泵浦光经过原子探头中的光束调节器，得到探测光的步骤中，所述光束调节器为光束分束器，所述光束分束器的中心部分为分光片、外围部分为镀增透膜；

具体步骤包括：将所述调制泵浦光经过原子探头中的光束分束器，得到位于中心的探测光，同时得到位于外围的泵浦光。

5.根据权利要求4所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，所述信号探测器接收由折返的探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的偏振面发生旋转的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤具体包括：

将调制泵浦光以及探测光通过原子探头的原子气体室；

将经过原子气体室后的调制泵浦光以及探测光进行反射，并回到原子气体室后，得到所述偏振面发生旋转的变化探测光；

信号探测器接收所述变化探测光。

6.根据权利要求1所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法，其特征在于，所述对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值的步骤包括：

对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率；

根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率；

根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

7.一种原子磁力仪，其特征在于，包括：激光光源、光强调制器、原子探头、信号探测器以及控制器；

所述激光光源用于发出单光束的激光；

所述原子探头内设置有光束调节器，所述光束调节器用于通过调制泵浦光获得探测光；

所述控制器分别与所述激光光源、所述光强调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如权利要求1-6任一所述的单束光折返泵浦探测构型的磁场测量方法。

8.根据权利要求7所述的原子磁力仪，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于激光入射侧；

非偏振光束分束器，所述非偏振光束分束器位于所述偏振片的出光侧；

平面反射镜，所述平面反射镜位于所述非偏振光束分束器背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述非偏振光束分束器与所述平面反射镜之间；

所述光束调节器为光束调节模块，所述光束调节模块位于所述原子气体室与所述平面反射镜之间，其中所述光束调节模块包括：依次设置的光学偏振片或者偏振分光棱镜，光强衰减器或激光相移片，光阑或聚焦透镜；

调制泵浦光穿过偏振片并透射通过非偏振光束分束器进入到原子气体室，经过光束调节模块后得到的探测光被平面反射镜反射后折返，再依次经过光束调节模块、原子气体室后被非偏振光束分束器反射后，由信号探测器所接收。

9.根据权利要求7所述的原子磁力仪，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于激光入射侧；

所述光束调节器为光束分束器，所述光束分束器位于所述偏振片的出光侧，其中所述光束分束器的中心部分为分光片、外围部分为镀增透膜；

平面反射镜，所述平面反射镜位于所述光束分束器背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述光束分束器与所述平面反射镜之间；

调制泵浦光穿过偏振片并透射通过光束分束器后得到调制泵浦光和探测光，并进入原子气体室，所述探测光被平面反射镜反射后折返，再经过原子气体室后被光束分束器反射后由信号探测器所接收。

10.根据权利要求9所述的原子磁力仪，其特征在于，所述光束分束器的中间部分的所述分光片的直径范围内对激光的透射率为10％、反射率为90％；

所述光束分束器的外围的镀增透膜的透射率为99％-100％。

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