CN114839695A - 一种无死区激光原子磁力测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无死区激光原子磁力测量方法与装置，该装置使用高速偏振调制器对探测光的偏振态进行连续地快速调制，当一种偏振态的泵浦光出现死区时另一种偏振态的泵浦光可以对其进行补偿，从而消除了死区，实现了全方位无死区的磁场探测。因此，本发明具有较强的工程应用价值和实用性。

Description

一种无死区激光原子磁力测量方法与装置

技术领域

本发明属于磁力测量技术领域，具体涉及一种无死区激光原子磁力测量方法与装置。

背景技术

磁场探测是地球物理探测最有效的方法之一，待测物体与周围环境的差异会引起磁场上的差异，通过对磁场的测量分析对比可以确定待测物体的深度范围和位置甚至年代信息。磁场探测可以应用于反潜、地质勘测、磁引信、水下探测、未爆炸物探测、人道救援等多个方面，应用十分广泛。

在各种类型的磁力仪中，原子磁力仪利用原子作为磁敏感介质，其基本原理是利用光透射过原子气体后发生的各种效应来获得磁场信息，其具有灵敏度高、功耗低、体积小等优势。

由于原理限制，现有的原子磁力仪无法测量沿特定方向的磁场，即会出现“死区”现象，使得在实际测量中有一定的局限性。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种无死区激光原子磁力测量方法与装置，可以实现全方位无死区的磁力测量。

一种无死区激光原子磁力测量方法与装置，其特征在于：包括激光稳频子系统、磁场探测子系统和信号与数据处理子系统；其中，激光稳频子系统用于输出线宽窄、波长稳定的激光，该激光既用于原子泵浦也用于磁场探测。在磁场探测子系统内激光的偏振态受到调制，通过原子气室后经过光电探测器，光电探测器的输出信号由信号与数据处理系统进行解调处理，从而得到磁场信号。本方案通过对探测光的偏振态进行连续地快速调制，当一种偏振态的探测光出现死区时另一种偏振态的探测光可以对其进行补偿，从而消除死区，实现全方位无死区磁场探测。

进一步地，所述激光稳频子系统包括：

信号源，用于产生参考信号对激光进行相位调制和解调；

相位调制器，用于将信号源产生的参考信号调制到光域上；

第一原子气室，用于吸收谐振标定和激光频率偏移的粗设置；

光环形器，用于将超稳光学腔的反射光传至第一光电探测器；

超稳光学谐振腔，用于选择激光稳频系统输出激光的波长，并压窄输出激光线宽；

第一光电探测器，用于将光学谐振腔出射的光信号转换为电信号；

第一混频器，用于将光电探测器收到的电信号与参考信号进行混频，产生相差信号；

第一低通滤波器，用于将混频后的相差信号进行低通滤波，输出误差信号用以控制精密电流源；

精密电流源，用于控制激光器输入电流，从而控制激光器输出激光的波长；

激光器，用于产生探测激光；

光耦合器，用于将激光器输出激光分为10：90的两部分，其中10％的激光用于激光稳频，90％的激光用于磁力测量。

进一步地，激光稳频子系统输出的激光锁定在铯原子的D1线6S_1/2，F＝4到6S_1/2，F＝5谱线上，波长为895纳米，激光器的输出光功率约为10毫瓦。

进一步地，超稳光学谐振腔的谐振波长与激光器的输出波长一致，均为895纳米。

进一步地，所述磁场探测子系统包括：

偏振调制器，用于对输入激光进行高速偏振调制；

第二原子气室，其内部的铯原子与输入的探测光发生磁光效应；

第二光电探测器，用于将经过原子气室后的探测光信号转换为电信号。

进一步地，所述偏振调制器由光纤准直器、起偏器、1/4波长波片和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)晶体构成，具有电光效应较大、半波电压较低的优点。探测光经过光纤准直器输出准直光束，经过起偏器和1/4波长波片后成为圆偏振光，输入到PMN-PT电光晶体中。对PMN-PT晶体施加偏振调制电场，使输入激光的偏振态发生由左旋圆偏振、左旋椭圆偏振、线偏振、右旋椭圆偏振、右旋圆偏振的周期变化。偏振调制控制信号由所述信号与数据处理系统产生和控制，其频率ω₀对应于铯原子所处磁场对应的拉莫尔频率ω_L。根据拉莫尔频率ω_L与磁场B的关系ω_L＝γB得到磁场大小，式中γ为铯原子旋磁比。

进一步地，所述第一原子气室和第二原子气室完全一样，气室内装有铯原子气体，并在气室内加入缓冲气体、在气室内壁上镀上抗弛豫薄膜，用以抑制原子的弛豫机制。使用高频交流电加载在无磁加热片上对第二原子气室进行加热，用以控制原子的饱和蒸汽压。

进一步地，所述光电探测器为无磁元件，将通过原子气室后的光信号转换为电信号。

进一步地，所述信号与数据处理系统包括：

微处理器，用于探测、处理电信号数据和控制整个测量装置；

直接数字频率合成器，用于产生偏振调制控制信号，信号频率ω₀对应于拉莫尔频率ω_L，同时用于产生解调时的参考信号；

第二混频器，用于将所述光电探测器接收到的探测信号与直接数字频率合成器产生的参考信号进行混频；

第二低通滤波器，用于对混频后的信号进行低通滤波；

第一电放大器，用于对低通滤波后的信号进行弱信号放大；

模拟-数字转换器，用于将低通滤波后的电信号转换为数字信号，提供给微处理器进行数据处理；

带通滤波器，用于对直接数字频率合成器产生的偏振控制信号进行滤波；

第二电放大器，用于对带通滤波后的偏振控制信号进行放大。

根据理论计算可知，激光传输方向与量子化轴的夹角

为90度时，圆偏振泵浦光对磁场探测不敏感，出现死区；当

为54/126度时，线偏振泵浦光对磁场探测不敏感，出现死区。因此，本发明装置利用高速偏振调制器对泵浦光的偏振态进行调制，当一种偏振态的泵浦光出现死区时另一种偏振态的泵浦光可以对其进行补偿，从而消除死区，实现全方位无死区的磁场探测。

附图说明

图1为本发明装置的系统框图，主要包括激光稳频系统、磁力测量系统和信号与数据处理系统。

图2为本发明装置的具体结构示意图。

图中：1—信号源、2—相位调制器、3—第一原子气室、4—光环形器、5—超稳光学谐振腔ORC、6—第一光电探测器、7—第一混频器、8—第一低通滤波器、9—精密电流源PCS、10—激光器、11—光耦合器OC、12—偏振调制器、13—第二原子气室、14—第二光电探测器、15—第二混频器、16—第二低通滤波器、17—第一电放大器、18—模拟-数字转换器ADC、19—微处理器CPU、20—直接数字频率合成器DDS、21—带通滤波器、22—第二电放大器。

图3为本发明装置所使用的偏振调制器构成图。

图4中，(a)(b)为高灵敏度磁场信号跟踪检测原理示意图，(c)为高灵敏度磁场信号跟踪检测实施方式图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明装置主要由激光稳频子系统、磁力测量子系统和信号与数据处理子系统构成。

如图2所示，一种无死区激光原子磁力测量方法与装置，整个装置包括信号源1、相位调制器2、第一原子气室3、光环形器4、超稳光学谐振腔5、第一光电探测器6、第一混频器7、第一低通滤波器8、精密电流源9、激光器10、光耦合器11、偏振调制器12、原子气室13、第二光电探测器14、第二混频器15、第二低通滤波器16、第一电放大器17、模拟-数字转换器18、微处理器19、直接数字频率合成器20、带通滤波器21、第二电放大器22。

本发明实现磁力测量的原理如下：对激光进行偏振调制，调制后的激光经过原子气室，受到原子拉莫尔进动作用后被光电探测器接收，然后对接收到的信号进行解调。当偏振调制信号的频率ω₀等于拉莫尔频率ω_L时，解调信号的幅度将达到极值，通过对偏振调制信号的频率进行扫频(即谐振扫描模式)可以得到解调信号的极值点，进而得到拉莫尔频率ω_L，根据拉莫尔频率ω_L与磁场的关系得到磁场大小。本发明中激光偏振可以随时间进行连续地快速调制，从而可以实现全方位无死区的磁场测量。

本实施方式中，激光器10输出的激光经过相位调制器2进行相位调制，调制信号由信号源1产生。调制后的激光信号首先进入第一原子气室3，通过粗调使得激光器10输出的激光波长落入铯原子气体的吸收峰范围内。然后激光进入光环形器4的1端口，通过光环形器4的2端口进入超稳光学谐振腔5，与超稳光学谐振腔5发生谐振，其反射光由光环形器4的3端口输入到第一光电探测器6，得到反射光信号。反射光信号与信号源1产生的参考信号通过第一混频器7混频，混频后的信号通过第一低通滤波器8滤波后得到误差信号，将该误差信号通过PID系统反馈至精密电流源9以控制输入到激光器10的电流，最终实现将激光输出锁定在超稳光学谐振腔5的谐振波长上。

本实施方式中，激光器10的输出激光锁定在铯原子的D1线6S_1/2，F＝4到6S_1/2，F＝5谱线上，波长为895纳米，功率约为10毫瓦。激光器10的输出激光通过光耦合器11进行分束，其中10％的激光进入激光稳频子系统，90％的激光进入磁力测量子系统。

本实施方式中，光耦合器11分束后用于磁力测量的激光通过保偏光纤连接至高速偏振调制器12，其构成如图3所示，主要由保偏光纤准直器、起偏器、1/4波长波片和PMN-PT电光晶体构成，具有电光效应较大、半波电压较低等优点。

本实施方式中，用于磁力测量的激光经过高速偏振调制器12后，其偏振受到调制，偏振态发生由左旋圆偏振、左旋椭圆偏振、线偏振、右旋椭圆偏振、右旋圆偏振的周期变化。偏振调制控制信号由微处理器19控制直接数字频率合成器20产生，控制信号经过带通滤波器21滤波和第二电放大器22放大后加载在高速偏振调制器12的调制电极上。

本实施方式中，为了确定磁场的准确大小，在测量之前需要确定磁场强度的大致范围，然后根据磁场范围所对应的拉莫尔频率范围设置直接频率合成器18输出信号的扫频范围。

本实施方式中，受到偏振调制后的激光通过第二原子气室13，第二原子气室13内的大量气体电子受到输入激光的充分激发至自旋激发态，当激光偏振的调制频率ω₀等于原子所处磁场的拉莫尔频率ω_L时，原子的偶极矩和四极矩同时发生进动。

本实施方式中，由第二原子气室13输出的激光经过第二光电探测器14后转换为电信号。该信号输入至混频器15，混频器15中的另一路输入信号为直接频率合成器20输出的参考信号，频率为ω₀(或者其二倍频2ω₀)。混频后的信号经过低通滤波器16滤波和第一电放大器17放大后(即锁相放大)得到解调信号，解调信号由模拟-数字转换器18采样转换为数字信号，再将数字信号传输给微处理器19进行数据处理和分析。由测量原理可知，解调信号为一类吸收线型，其极值点对应的频率即为铯原子所处磁场对应的拉莫尔频率ω_L，根据拉莫尔频率ω_L和磁场的关系可以得到磁场大小。

作为一种可选的技术方案，本发明可以实现高灵敏度磁场信号的跟踪检测，其原理如下：在直接频率合成器输出的偏振调制信号中调制一个固定频率为ω₁的附加调频信号，当偏振调制的中心频率ω₀与铯原子所处磁场大小对应的拉莫尔频率ω_L不一致时，光电探测器将产生频率为ω₁的误差信号；当偏振调制的中心频率与原子所处磁场大小对应的拉莫尔频率ω_L一致时，光电探测器将产生频率为2ω₁的误差信号，原理如图4(a)所示。将光电探测器的输出信号输入至混频器，混频器的另一路输入为频率为ω₀的参考信号，经过混频、低通滤波和信号放大后(即锁相放大后)的输出信号再与频率为ω₁的参考信号进行混频和低通滤波，得到的误差信号曲线为一类色散曲线，该曲线的过零点处对应频率即为拉莫尔频率ω_L，如图4(b)所示。具体实施方式为：直接频率合成器的输出频率为ω₀的偏振调制信号，该频率在拉莫尔频率ω_L附近，并在该信号上调制一个固定频率为ω₁的附加调频信号。将光电探测器的输出信号输入至混频器，混频器的另一路输入为频率为ω₀的参考信号，经过混频、低通滤波和信号放大后(即锁相放大后)的输出信号再与频率为ω₁的参考信号进行混频和低通滤波，得到误差信号，将误差信号进行数字采样后与0电压值(对应拉莫尔频率ω_L)进行比较，得到偏离谐振状态信号，将该状态信号输入至微控制器所控制的数字化增量PID系统得到跟踪控制信号，通过跟踪控制信号计算中心频率ω₀的控制字并反馈给直接频率合成器，使误差信号维持在0电压值，从而跟踪探测磁场的拉莫尔频率ω_L，如图4(c)所示。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无死区激光原子磁力测量方法与装置，其特征在于：包括激光稳频子系统、磁场探测子系统和信号与数据处理子系统；其中，激光稳频子系统用于输出线宽窄、波长稳定的激光，该激光既用于原子泵浦也用于磁场探测。在磁场探测子系统内激光的偏振态受到调制，通过原子气室后经过光电探测器，光电探测器的输出信号由信号与数据处理系统进行解调处理，从而得到磁场信号。本方案通过对探测光的偏振态进行连续地快速调制，当一种偏振态的探测光出现死区时另一种偏振态的探测光可以对其进行补偿，从而消除死区，实现全方位无死区磁场探测。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述激光稳频子系统包括：

信号源，用于产生参考信号对激光进行相位调制和解调；

相位调制器，用于将信号源产生的参考信号调制到光域上；

第一原子气室，用于吸收谐振标定和激光频率偏移的粗设置；

光环形器，用于将超稳光学腔的反射光传至第一光电探测器；

超稳光学谐振腔，用于选择激光稳频系统输出激光的波长，并压窄输出激光线宽；

第一光电探测器，用于将光学谐振腔出射的光信号转换为电信号；

第一混频器，用于将光电探测器收到的电信号与参考信号进行混频，产生相差信号；

第一低通滤波器，用于将混频后的相差信号进行低通滤波，输出误差信号用以控制精密电流源；

精密电流源，用于控制激光器输入电流，从而控制激光器输出激光的波长；

激光器，用于产生激光；

光耦合器，用于将激光器输出激光分为10：90的两部分，其中10％的激光用于激光稳频，90％的激光用于磁力测量。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：激光稳频子系统输出的激光锁定在铯原子的D1线6S_1/2，F＝4到6S_1/2，F＝5谱线上，波长为895纳米，激光器的输出光功率约为10毫瓦。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：超稳光学谐振腔的谐振波长与激光器的输出波长一致，均为895纳米。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述磁场探测子系统包括：

偏振调制器，用于对输入激光进行高速偏振调制；

第二原子气室，其内部的铯原子与输入的探测光发生磁光效应；

第二光电探测器，用于将经过第二原子气室后的探测光信号转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述偏振调制器由光纤准直器、起偏器、1/4波长波片和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)晶体构成，具有电光效应较大、半波电压较低的优点。探测光经过光纤准直器输出准直光束，经过起偏器和1/4波长波片后成为圆偏振光，输入到PMN-PT电光晶体中。对PMN-PT晶体施加偏振调制电场，使输入激光的偏振态发生由左旋圆偏振、左旋椭圆偏振、线偏振、右旋椭圆偏振、右旋圆偏振的周期变化。偏振调制控制信号由所述信号与数据处理系统产生和控制，其频率ω₀对应于铯原子所处磁场对应的拉莫尔频率ω_L。根据拉莫尔频率ω_L与磁场B的关系ω_L＝γB得到磁场大小，式中γ为铯原子旋磁比。

7.根据权利要求2和5所述的测量装置，其特征在于：所述第一原子气室和第二原子气室完全一样，气室内装有铯原子气体，并在气室内加入缓冲气体、在气室内壁上镀上抗弛豫薄膜，用以抑制原子的弛豫机制。使用高频交流电加载在无磁加热片上对第二原子气室进行加热，用以控制原子的饱和蒸汽压。

8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述光电探测器为无磁元件，将通过原子气室后的光信号转换为电信号。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述信号与数据处理系统包括：

微处理器，用于探测、处理电信号数据和控制整个测量装置；

直接数字频率合成器，用于产生偏振调制控制信号，信号频率ω₀对应于拉莫尔频率ω_L，同时用于产生解调时的参考信号；

第二混频器，用于将所述光电探测器接收到的探测信号与直接数字频率合成器产生的参考信号进行混频；

第二低通滤波器，用于对混频后的信号进行低通滤波；

第一电放大器，用于对低通滤波后的信号进行弱信号放大；

模拟-数字转换器，用于将低通滤波后的电信号转换为数字信号，提供给微处理器进行数据处理；

带通滤波器，用于对直接数字频率合成器产生的偏振控制信号进行滤波；

第二电放大器，用于对带通滤波后的偏振控制信号进行放大。

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