CN115047383B - 一种反射式serf原子磁强计及其一体化表头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式SERF原子磁强计及其一体化表头装置，针对SERF磁强计表头气室所需光学激发检测和高温加热需求，对激发、检测、加热和隔热等关键部件进行一体化设计，通过可调反射镜结构和四分之一波片组合结构将激发光与检测光平行入射来大幅缩减表头体积，并利用紧密配合结构固定碱金属气室周围部件，减小了SERF磁强计表头体积，提高了激发、检测装置调试效率，同时降低了加热装置与外界环境热传导。本发明将为小型化SERF磁强计阵列和SERF磁场测量研究提供高可靠性、高稳定性的表头装置。

Description

一种反射式SERF原子磁强计及其一体化表头装置

技术领域

本发明属于原子磁强计领域，具体涉及一种反射式SERF原子磁强计及其一体化表头装置。

背景技术

基于SERF（Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫）原子自旋效应的超高灵敏极弱磁测量装置，目前已实现优于0.1 fT/Hz^1/2的磁场测量灵敏度，正朝着aT（10^-18 T）量级发展。超高灵敏极弱磁测量在计量基准、脑科学与医学、材料科学等领域有巨大的应用前景，而目前测量灵敏度最高的极磁场测量装置仍处于实验研究平台阶段，急需小型化的SERF磁强计来推动其在相关领域的快速发展。SERF磁强计表头装置是SERF磁强计的核心，也是影响其整体体积和测量指标的关键因素。为了实现碱金属气体的SERF状态，需要为承载碱金属气体的玻璃气室提供高温无磁环境，同时气体SERF状态的判断依赖于激光激发和检测技术实现。目前磁屏蔽材料受限于加工工艺难以小型化，因此常将较大体积的磁屏蔽放于表头装置之外，因此表头装置在保持高温的条件下还需尽可能地降低自身产生的磁噪声。SERF磁强计表头包括气室、烤箱、加热膜、隔热层和窗片等关键器部件，传统的表头装置将这些关键器部件分别独立设计、安装，导致表头装置的结构复杂且体积较大，器部件之间欠缺有机配合。如SERF磁强计常采用激发光和检测光垂直入射的方式进行光路布局，导致激发激光器和检测激光器必须位于SERF磁强计的不同方位且垂直放置，这极大地限制了SERF磁强计体积的进一步缩小，影响了装置的小型化应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的SERF磁强计表头装置体积大、结构松散的问题，提出一种SERF磁强计一体化表头装置，减小SERF磁强计表头体积，缩减激发光路和检测光路光程，增强表头各器部件配合度和稳定性，为SERF磁强计小型化应用提供紧凑可阵列的表头装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，该装置包括反射镜组件、底座以及从外到内依次嵌套的外壳、隔热层、烤箱、气室，所述的外壳和底座固定连接，所述的外壳、隔热层、烤箱的其中两个相对面的相对应位置均开设第一通孔，该第一通孔与所述的气室组成激发光通路，所述的烤箱与激发光通路平行的两个面上设置加热膜，所述的外壳、加热膜、隔热层、烤箱的相对应位置均开设第二通孔，该第二通孔与所述的气室组成检测光通路；所述的激发光通路和检测光通路垂直；所述的加热膜的表面设置温度传感器，所述的激发光通路和检测光通路的入口和出口处设置窗片，所述的检测光通路的出口处设置四分之一波片和反射镜，所述的烤箱、加热膜、温度传感器、隔热层、窗片组成加热和隔热结构；

所述的反射镜部分为一个，固定在所述的外壳上，且位于所述的检测光通路的一端，所述的四分之一波片为一个，固定在所述的外壳上，且位于所述的检测光通路的另一端；所述的反射镜为一个，固定在所述外壳上，且位于所述的四分之一波片相同端。

所述的气室中的气体为碱金属气体，且所述的碱金属气体工作于SERF状态。

进一步地，反射镜部分包括镜架固定块、反射镜架、调节旋钮和反射镜、螺杆，所述的镜架固定块固定在所述的外壳上，反射镜架位于所述的镜架固定块之间，反射镜架内开设相互垂直的通孔，第二反射镜以相对于检测光通路呈45°的方向固定在反射镜架上，并在实际使用中可通过调节旋钮和螺杆微调第二反射镜与检测光角度以保证检测光准直入射。

每个反射镜架配有两个配合调节旋钮，可实现反射镜片两自由度微调从而保证检测光路的准直，反射镜架通过镜架固定块与外壳固连。

进一步地，所述的第一反射镜位于所述的四分之一波片同侧，四分之一波片将出射和经第一反射镜反射回来的检测光波前分别改变四分之一个波长，四分之一波片和第一反射镜以相对于检测光通路呈90°的方向固定在外壳上。

进一步地，所述的碱金属气体为钾、铷、铯其中的任意一种或两种。

进一步地，所述的加热膜采用无磁镍铬材料并通过PCB技术加工双绞和对称结构，且每个所述的加热膜均为双层对贴结构。

进一步地，所述的烤箱采用氮化硼材料制成。

进一步地，所述的隔热层采用气凝胶材料制成。

进一步地，窗片采用碱金属原子对应的增透膜材料进行镀膜处理。

进一步地，所述的外壳采用聚醚酮材料制成。

进一步地，所述的反射镜采用介质膜反射镜。

进一步地，整个表头装置均由无磁材料制成。

本发明还提供了一种反射式SERF原子磁强计，所述反射式SERF原子磁强计包括所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，该反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置内嵌式安装在反射式SERF原子磁强计的头部位置，可用于直接接触样品表面。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明综合考虑各器件的功能和工作需求，对气室、烤箱、加热膜、隔热层、外壳等器部件进行一体化设计，通过各器部件的紧密配合实现一体化表头装置的装配。

（2）通过设计表头装置中的可调节反射镜结构，高效快速的调节检测光准直，同时可在检测激光器与激发激光器平行安装的情况下实现SERF磁强计功能，可极大地缩减了SERF磁强计体积。

（3）本发明在激发光路和检测光路两端安装有隔热增透窗片，在保证对激发光和检测光的透过率的同时，能够减少表头核心对外界的热量耗散。除此之外，在加热膜外侧安装温度传感器可实时观测表头温度变化。

（4）本发明结构紧凑，操作要求低，对SERF磁强计配件要求低，并为保持碱金属气体的SERF态提供了稳定的低噪声高温环境。

（5）本发明利用反射式结构，对检测光进行反射，并利用四分之一波片和反射镜的组合使出射和反射的检测光偏振方向保持一致，并且检测信号强度增大一倍，提升了一体化表头的检测信号强度和灵敏度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1是本发明的一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置的主视图；

图2是本发明的一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置的B-B截面的剖视图；

图3是本发明的一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置的A-A截面的局部剖视图；

图4是本发明的一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置的加热膜结构图；

图5是本发明对云煌岩切片表面磁场信息测量的结果图。

图中，气室1、烤箱2、隔热层3、外壳4、反射镜组件5、底座6、加热膜7、温度传感器8、窗片9、四分之一波片10、第一反射镜11、镜架固定块51、反射镜架52、调节旋钮53、第二反射镜54、螺杆55、加热膜衬底71、加热膜通孔72、铜线73、供电接头74。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。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。

如图1-图3所示，本发明的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，包括反射镜组件5、底座6以及从外到内依次嵌套的外壳4、隔热层3、烤箱2、气室1，所述的外壳4和底座6固定连接，所述的外壳4、隔热层3、烤箱2的其中两个相对面的相对应位置均开设第一通孔，该第一通孔与所述的气室1组成激发光通路，所述的烤箱2与激发光通路平行的两个面上设置加热膜7，且气室1和加热膜7分别用高温胶固定于烤箱2内外侧，所述的外壳4、加热膜7、隔热层3、烤箱2的相对应位置均开设第二通孔，该第二通孔与所述的气室1组成检测光通路；所述的激发光通路和检测光通路垂直；所述的加热膜7的表面设置温度传感器8，所述的激发光通路和检测光通路的入口和出口处设置窗片9，所述的检测光通路的出口处设置四分之一波片10和第一反射镜11，所述的烤箱2、加热膜7、温度传感器8、隔热层3、窗片9组成加热和隔热结构；

所述的反射镜组件5为一个，均固定在所述的外壳4上，位于所述的检测光通路的一端，所述的四分之一波片10为一个，固定在所述的外壳4上，且位于所述的检测光通路的另一端；所述的第一反射镜11为一个，固定在所述外壳4上，且位于所述的四分之一波片10相同端；

所述的气室1中的气体为碱金属气体，可为钾、铷、铯其中的一种或两种，同时通过表头加热结构和外界磁屏蔽系统保持碱金属气体工作于SERF状态。

反射镜组件5包括镜架固定块51、反射镜架52、调节旋钮53和第二反射镜54、螺杆55，所述的镜架固定块51固定在所述的外壳4上，反射镜架52位于所述的镜架固定块51之间，反射镜架52内开设相互垂直的通孔，第二反射镜54采用介质膜反射镜，第二反射镜54以相对于检测光通路呈45°的方向固定在反射镜架52上，并在实际使用中可通过调节旋钮53和螺杆55微调第二反射镜与检测光角度以保证检测光准直入射。

每个反射镜架52配有两个配合调节旋钮53，可实现反射镜片两自由度微调从而保证检测光路的准直，反射镜架52通过镜架固定块51和螺钉与外壳4固连。

所述的四分之一波片10和第一反射镜11以相对于检测光通路呈90°的方向固定在外壳4上，可采用粘接或压接的形式保证稳定性。

加热膜7采用无磁镍铬材料并通过PCB技术加工双绞和对称结构，通过将加热膜双层对贴的方式尽可能地消除电加热带来的磁场噪声。如图4所示，加热膜7由加热膜衬底71和铜线73组成，加热膜衬底71中心挖有加热膜通孔72，铜线73采用双绞形式走线，铜线与供电接头74连接。

温度传感器8贴于加热膜7外侧，其接线与加热膜供电线一同接到底座6的电接口上，由此实时检测和控制表头核心温度。烤箱2采用氮化硼材料，与加热膜7共同为气室1中碱金属气体提供SERF状态所需的高温环境。隔热层3采用气凝胶材料进行加热装置的隔热，减少表头内部热量耗散并防止反射镜和被测物温度过高，为保证隔热效果可根据气室温度要求粘贴2-3层气凝胶。

窗片9采用碱金属原子对应的增透膜材料进行镀膜处理，用于隔绝与表头外界环境的热量耗散。整个表头装置通过螺钉12固定，此表头装置可根据此固定方式进行阵列排布。

外壳4采用PEEK材料，通过螺钉12与其他SERF磁强计配套装置固定。

整个表头装置均由无磁材料制成。

本发明的装置在使用时，通过激发光通路给气室进行加热，通过检测光通路进行光强的检测，检测光通路上增加了可调节反射镜结构，能够高效快速的调节检测光准直，同时可在检测激光器与激发激光器平行安装的情况下实现SERF磁强计功能，极大地缩减了SERF磁强计的体积；利用反射式结构，对检测光进行反射，并利用四分之一波片和反射镜的组合使出射和反射的检测光偏振方向保持一致，并且检测信号强度增大一倍，提升了一体化表头的检测信号强度和灵敏度；在激发光路和检测光路两端安装有隔热增透窗片，在保证对激发光和检测光的透过率的同时，能够减少表头核心对外界的热量耗散；本发明一体化设计，结构紧凑，操作要求低，对SERF磁强计配件要求低，并为保持碱金属气体的SERF态提供了稳定的低噪声高温环境。

本发明的一种反射式SERF原子磁强计，所述反射式SERF原子磁强计包括所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，该反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置内嵌式安装在反射式SERF原子磁强计的头部位置，可用于直接接触样品表面。

实施例1

本实施例阐述了将本发明一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置配置给云煌岩切片，检测云煌岩切片的磁性情况。云煌岩切片厚度为0.03mm，长宽分别为25mm、25mm，其主要成分为黑云母，并含有少量辉石、橄榄石与钾长石。由于云煌岩切片薄且脆，具体实施时将其放置在载玻片上，载玻片材质为石英材质，厚度为3mm。

具体操作过程如下：

步骤（1）：打开贴于加热膜7外侧的温度传感器8，实时检测和控制表头核心温度，并打开采用无磁镍铬材料并通过PCB技术加工双绞和对称结构的加热膜7对气室1进行加热，加热至120摄氏度；

步骤（2）：输入780nm的激光，经反射镜部分5反射进入气室1，所述的反射镜部分5包括镜架固定块51、反射镜架52、调节旋钮53和反射镜54、螺杆55；激光经过气室1后，将气室1中铷气体的磁场信息调制到激光上，经调制后的激光经过四分之一波片10后，其偏振相位改变四分之一个波长并垂直输出到反射镜11，经反射镜11反射，反射过程使激光相位增加二分之一个波长，再次入射到四分之一波片10，相位再次增加四分之一个波长，激光再次输入气室1，调制到激光上的气室1中铷气体的磁场信息强度变为原来的两倍，出射激光再次经反射镜部分5输出；

步骤（3）：具体实施时，将一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置贴近云煌岩切片表面进行磁性测量，以0.5cm为步长进行移动，并对云煌岩切片表面磁场信息结果进行采集和数据处理，如图5所示，中圆形点划线为利用一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置贴近云煌岩切片表面测量到的云煌岩切片表面磁场强度分布。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，包括反射镜组件（5）、底座（6）以及从外到内依次嵌套的外壳（4）、隔热层（3）、烤箱（2）、气室（1），所述的外壳（4）和底座（6）固定连接，所述的外壳（4）、隔热层（3）、烤箱（2）的其中两个相对面的相对应位置均开设第一通孔，该第一通孔与所述气室（1）组成激发光通路，所述的烤箱（2）与激发光通路平行的两个面上设置加热膜（7），所述的外壳（4）、加热膜（7）、隔热层（3）、烤箱（2）的相对应位置均开设第二通孔，该第二通孔与所述气室（1）组成检测光通路；所述的激发光通路和检测光通路垂直；所述的加热膜（7）的表面设置温度传感器（8），所述的激发光通路和检测光通路的入口处设置窗片（9），所述的检测光通路的出口处设置四分之一波片（10）和第一反射镜（11），所述的烤箱（2）、加热膜（7）、温度传感器（8）、隔热层（3）、窗片（9）组成加热和隔热结构；

所述的反射镜组件（5）为一个，固定在所述的外壳（4）上，且位于所述的检测光通路的一端，所述的四分之一波片（10）为一个，固定在所述的外壳（4）上，且位于所述的检测光通路的另一端；所述的第一反射镜（11）为一个，固定在所述外壳（4）上，且位于所述的四分之一波片（10）相同端；所述的第一反射镜（11）位于所述的四分之一波片（10）同侧，四分之一波片（10）将出射和经第一反射镜（11）反射回来的检测光波前分别改变四分之一个波长，四分之一波片（10）和第一反射镜（11）以相对于检测光通路呈90°的方向固定在外壳（4）上；

所述的气室（1）中的气体为碱金属气体，且所述的碱金属气体工作于SERF状态。

2.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，反射镜组件（5）包括镜架固定块（51）、反射镜架（52）、调节旋钮（53）和第二反射镜（54）、螺杆（55），所述的镜架固定块（51）固定在所述的外壳（4）上，反射镜架（52）位于所述的镜架固定块（51）之间，反射镜架（52）内开设相互垂直的通孔，第二反射镜（54）以相对于检测光通路呈45°的方向固定在反射镜架（52）上，调节旋钮（53）和螺杆（55）微调第二反射镜（54）与检测光角度使检测光准直入射，

每个反射镜架（52）配有两个配合调节旋钮（53），反射镜架（52）通过镜架固定块（51）与外壳（4）固连。

3.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，所述的碱金属气体为钾、铷、铯其中的任意一种或两种。

4.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，所述的加热膜（7）采用无磁镍铬材料并通过PCB技术加工双绞和对称结构，且每个所述的加热膜（7）均为双层对贴结构。

5.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，所述的烤箱（2）采用氮化硼材料制成。

6.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，所述的隔热层（3）采用气凝胶材料制成。

7.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，窗片（9）采用碱金属原子对应的增透膜材料进行镀膜处理。

8.根据权利要求1所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，其特征在于，所述的外壳（4）采用聚醚酮材料制成；和/或，所述的反射镜采用介质膜反射镜；和/或，整个表头装置均由无磁材料制成。

9.一种反射式SERF原子磁强计，其特征在于，所述反射式SERF原子磁强计包括权利要求1-8任一项所述的反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置，该反射式SERF原子磁强计的一体化表头装置内嵌式安装在反射式SERF原子磁强计的头部位置。

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