CN115727936A - 基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，第一检测光直接进入原子气室，第二检测光经第一反射镜反射后进入原子气室，第三反射镜对从原子气室射出的第一检测光进行反射后依次进入第一二分之一玻片、第二偏振分束棱镜和第一光电探测组件，第四反射镜对从原子气室射出的第二检测光进行反射后依次进入第二二分之一玻片、第三偏振分束棱镜和第二光电探测组件，锁紧组件设置在调距单元上，调距单元用于调节待测器件与原子气室之间的距离，噪声计算单元根据第一检测光信号和第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中缺乏对原子磁强计各组件噪声检测系统化测试方法的技术问题。

Description

基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置

技术领域

本发明涉及原子磁强计技术领域，尤其涉及一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置。

背景技术

伴随量子操控技术的快速发展，量子计算、量子通信、量子传感等领域快速发展，其中基于原子自旋效应进行弱磁探测已成为量子传感的重要发展方向。其中无自旋弛豫原子磁强计、标量磁强计、射频磁强计等原子磁强计受众多领域关注，其中无自旋弛豫原子磁强计保持有弱磁探测领域最高灵敏度记录，基于原子传感的弱磁检测技术证逐步在矿产探测、生物医学等领域开展应用，推动相关领域进行技术革新。

当前原子磁强计的相关技术指标已基本完成在大平台大装置方面验证，受实际应用需求及市场主导，当前原子磁强计正逐步向小体积化、多通道化发展。在限制原子磁强计性能提升的众多因素中，除磁干扰、磁污染等工艺流程限制外，磁强计小体积过程中器部件电子热运动所产生的约翰逊噪声的影响正逐步凸显。构建原子磁强计的各器部件的磁约翰逊噪声除装置设计前仿真模拟外，缺乏系统化的测试方法进行噪声检测。由于在生产原子磁强计过程中，各器部件、组件的生产环境、生产方法、生产批次存在差异，如何有效保证批量生产过程中，原子磁强计各组件低约翰逊噪声，已成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，能够解决现有技术中缺乏对原子磁强计各组件噪声检测系统化测试方法的技术问题。

本发明提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置包括：检测光光源、第一偏振分束棱镜、第一消偏振分束棱镜和第一反射镜，检测光光源发出的检测光经过第一偏振分束棱镜进入第一消偏振分束棱镜，第一消偏振分束棱镜将检测光分为第一检测光和第二检测光，第一检测光直接进入原子气室，第二检测光经第一反射镜反射后进入原子气室；驱动光光源、四分之一玻片、第二消偏振分束棱镜和第二反射镜，驱动光光源发出的驱动光经过四分之一玻片进入第二消偏振分束棱镜，第二消偏振分束棱镜将驱动光分为第一驱动光和第二驱动光，第一驱动光直接进入原子气室，第二驱动光经第二反射镜反射后进入原子气室；第三反射镜、第一二分之一玻片、第二偏振分束棱镜和第一光电探测组件，第三反射镜对从原子气室射出的第一检测光进行反射后依次进入第一二分之一玻片、第二偏振分束棱镜和第一光电探测组件，第一光电探测组件探测获取第一检测光信号；第四反射镜、第二二分之一玻片、第三偏振分束棱镜和第二光电探测组件，第四反射镜对从原子气室射出的第二检测光进行反射后依次进入第二二分之一玻片、第三偏振分束棱镜和第二光电探测组件，第二光电探测组件探测获取第二检测光信号；基座、调距单元和锁紧组件，调距单元可移动地设置在基座上，锁紧组件设置在调距单元上，锁紧组件用于锁紧待测器件，调距单元用于调节待测器件与原子气室之间的距离；噪声计算单元，噪声计算单元根据第一检测光信号和第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声。

进一步地，基座具有基座容纳腔和多个定位孔，多个定位孔设置在基座容纳腔的腔壁上，调距单元可移动地设置在基座容纳腔内，调距单元具有多个定位槽，多个定位槽沿调距单元的长度方向依次设置，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括固定元件，固定元件可穿过定位槽与任一定位孔相配合实现调距单元与基座的相对固定。

进一步地，锁紧组件包括器件固定板和多个固定压脚，器件固定板固定设置在调距单元上，多个固定压脚沿器件固定板的周向间隔设置在器件固定板上，多个固定压脚用于固定待测器件。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括三轴补磁线圈、铁氧体磁屏蔽单元、坡莫合金磁屏蔽桶和坡莫合金磁屏蔽桶盖，三轴补磁线圈、铁氧体磁屏蔽单元和坡莫合金磁屏蔽桶依次设置在原子气室的外部，坡莫合金磁屏蔽桶盖设置在坡莫合金磁屏蔽桶的开口端且位于坡莫合金磁屏蔽桶和基座之间，坡莫合金磁屏蔽桶用于为原子气室提供粗屏蔽环境，铁氧体磁屏蔽单元用于为原子气室提供精屏蔽环境，三轴补磁线圈用于为原子气室提供零磁场环境。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括交流加热片、氮化硼加热结构、气凝胶隔热层和气室支撑结构，氮化硼加热结构具有气室容纳腔，原子气室设置在气室容纳腔内，交流加热片设置在氮化硼加热结构上，氮化硼加热结构设置在气室支撑结构内，气凝胶隔热层设置在气室支撑结构的端部。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括液晶玻片和第一里斯利棱镜对，液晶玻片设置在检测光光源和第一偏振分束棱镜之间，第一里斯利棱镜对设置在第一偏振分束棱镜和第一消偏振分束棱镜之间，检测光光源发出的检测光依次经过液晶玻片、第一偏振分束棱镜和第一里斯利棱镜对进入第一消偏振分束棱镜。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第二里斯利棱镜对，第二里斯利棱镜对设置在驱动光光源和四分之一玻片之间，驱动光光源发出的驱动光依次经过第二里斯利棱镜对和四分之一玻片进入第二消偏振分束棱镜。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第三里斯利棱镜对，第三里斯利棱镜对设置在第三反射镜和第一二分之一玻片之间，第三反射镜对从原子气室射出的第一检测光进行反射后依次进入第三里斯利棱镜对、第一二分之一玻片、第二偏振分束棱镜和第一光电探测组件。

进一步地，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第四里斯利棱镜对，第四里斯利棱镜对设置在第四反射镜和第二二分之一玻片之间，第四反射镜对从原子气室射出的第二检测光进行反射后依次进入第四里斯利棱镜对、第二二分之一玻片、第三偏振分束棱镜和第二光电探测组件。

进一步地，第一光电探测组件包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器用于探测第一光信号，第二光电探测器用于探测第二光信号，第一检测光信号可根据第一光信号和第二光信号差分计算获取；第二光电探测组件包括第三光电探测器和第四光电探测器，第三光电探测器用于探测第三光信号，第四光电探测器用于探测第四光信号，第二检测光信号可根据第三光信号和第四光信号差分计算获取，噪声计算单元通过对第一检测光信号和第二检测光信号差分计算获取待测器件的约翰逊噪声。

应用本发明的技术方案，提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，该装置通过设置第二反射镜80、第三反射镜90、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110、第一光电探测组件120、第四反射镜130、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150、第二光电探测组件160、基座170、调距单元180、锁紧组件190和噪声计算单元，噪声计算单元根据第一检测光信号和第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声，此种方式在小体积模块的结构下，避免了科学平台大装置的环境适应性问题，便于该方法的多场景应用开展，结合高性能磁屏蔽及双通道差分手段，该方法在保证最高灵敏度探测得到器部件约翰逊噪声的同时，差分检测技术则可直接将器部件约翰逊噪声读出，节省了测试结果后处理过程。此外，通过设置调距单元，可根据不同类型的待测器件在实际工作中与原子气室之间的相对距离，调节待测器件与原子气室之间的距离以使两者之间的距离与实际相一致，此种方式能够实现了多距离短距离下的约翰逊噪声测试，多距离测试有效模拟原子磁强计中器部件的实际距离，为器部件的约翰逊噪声评估提供了直接手段，而短距离测试则可测试与气室中心最小3mm间距下约翰逊噪声，这一距离下可有效评估微小器件的约翰逊噪声存在，为向磁强计中原子气室附近设计组件，提供必要的噪声测试结果支撑。因此，本发明所提供的磁约翰逊噪声测试装置与现有技术相比，可以在无大科学装置下开展约翰逊噪声测试，提供高精度直读的噪声结果，并可模拟实际距离下器部件磁噪声水平，为原子磁强计的器件筛查、质量检定提供了基础。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明的具体实施例提供的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置基本光路的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置的爆炸结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的光源模块爆炸结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的传感模块爆炸结构示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的检测模块爆炸结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、检测光光源；20、第一偏振分束棱镜；30、第一消偏振分束棱镜；40、第一反射镜；50、驱动光光源；60、四分之一玻片；70、第二消偏振分束棱镜；80、第二反射镜；90、第三反射镜；100、第一二分之一玻片；110、第二偏振分束棱镜；120、第一光电探测组件；121、第一光电探测器；122、第二光电探测器；130、第四反射镜；140、第二二分之一玻片；150、第三偏振分束棱镜；160、第二光电探测组件；161、第三光电探测器；162、第四光电探测器；170、基座；170a、基座容纳腔；170b、定位孔；180、调距单元；180a、定位槽；190、锁紧组件；191、器件固定板；192、固定压脚；200、三轴补磁线圈；210、铁氧体磁屏蔽单元；220、坡莫合金磁屏蔽桶；230、坡莫合金磁屏蔽桶盖；240、交流加热片；250、氮化硼加热结构；250a、气室容纳腔；260、气凝胶隔热层；270、气室支撑结构；280、液晶玻片；290、第一里斯利棱镜对；300、第二里斯利棱镜对；310、第三里斯利棱镜对；320、第四里斯利棱镜对；330、光源模块外壳；340、光源模块底座；400、原子气室。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，该基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置包括检测光光源10、第一偏振分束棱镜20、第一消偏振分束棱镜30、第一反射镜40、驱动光光源50、四分之一玻片60、第二消偏振分束棱镜70、第二反射镜80、第三反射镜90、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110、第一光电探测组件120、第四反射镜130、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150、第二光电探测组件160、基座170、调距单元180、锁紧组件190和噪声计算单元，检测光光源10发出的检测光经过第一偏振分束棱镜20进入第一消偏振分束棱镜30，第一消偏振分束棱镜30将检测光分为第一检测光和第二检测光，第一检测光直接进入原子气室，第二检测光经第一反射镜40反射后进入原子气室，驱动光光源50发出的驱动光经过四分之一玻片60进入第二消偏振分束棱镜70，第二消偏振分束棱镜70将驱动光分为第一驱动光和第二驱动光，第一驱动光直接进入原子气室，第二驱动光经第二反射镜80反射后进入原子气室，第三反射镜90对从原子气室射出的第一检测光进行反射后依次进入第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110和第一光电探测组件120，第一光电探测组件120探测获取第一检测光信号，第四反射镜130对从原子气室射出的第二检测光进行反射后依次进入第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150和第二光电探测组件160，第二光电探测组件160探测获取第二检测光信号，调距单元180可移动地设置在基座170上，锁紧组件190设置在调距单元180上，锁紧组件190用于锁紧待测器件，调距单元180用于调节待测器件与原子气室之间的距离，噪声计算单元根据第一检测光信号和第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声。

应用此种配置方式，提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，该装置通过设置第二反射镜80、第三反射镜90、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110、第一光电探测组件120、第四反射镜130、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150、第二光电探测组件160、基座170、调距单元180、锁紧组件190和噪声计算单元，噪声计算单元根据第一检测光信号和第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声，此种方式在小体积模块的结构下，避免了科学平台大装置的环境适应性问题，便于该方法的多场景应用开展，结合高性能磁屏蔽及双通道差分手段，该方法在保证最高灵敏度探测得到器部件约翰逊噪声的同时，差分检测技术则可直接将器部件约翰逊噪声读出，节省了测试结果后处理过程。此外，通过设置调距单元，可根据不同类型的待测器件在实际工作中与原子气室之间的相对距离，调节待测器件与原子气室之间的距离以使两者之间的距离与实际相一致，此种方式能够实现了多距离短距离下的约翰逊噪声测试，多距离测试有效模拟原子磁强计中器部件的实际距离，为器部件的约翰逊噪声评估提供了直接手段，而短距离测试则可测试与气室中心最小3mm间距下约翰逊噪声，这一距离下可有效评估微小器件的约翰逊噪声存在，为向磁强计中原子气室附近设计组件，提供必要的噪声测试结果支撑。因此，本发明所提供的磁约翰逊噪声测试装置与现有技术相比，可以在无大科学装置下开展约翰逊噪声测试，提供高精度直读的噪声结果，并可模拟实际距离下器部件磁噪声水平，为原子磁强计的器件筛查、质量检定提供了基础。

具体地，在本发明中，如图1所示，原子气室400中设置有两个光交汇位置，第一检测光经过第一光交汇位置，第二检测光经过第二光交汇位置，作为本发明的一个具体实施例，原子气室的结构尺寸为2mm×2mm×6mm，在该实施例中，第一光交汇位置和第二光交汇位置之间的距离为4mm。短距离测试中，可测试与气室中心最小3mm间距下约翰逊噪声，此处所说的3mm间距是指待测器件与第二光交汇位置之间的距离为3mm。

进一步地，在本发明中，为了实现不同类型待测部件多距离下的约翰逊噪声测试，可将基座170配置为具有基座容纳腔170a和多个定位孔170b，多个定位孔170b设置在基座容纳腔170a的腔壁上，调距单元180可移动地设置在基座容纳腔170a内，调距单元180具有多个定位槽180a，多个定位槽180a沿调距单元180的长度方向依次设置，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括固定元件，固定元件可穿过定位槽180a与任一定位孔170b相配合实现调距单元180与基座170的相对固定。

在此种配置方式下，根据具体的待测器件，获取该待测器件在实际工作中与原子气室之间的相对距离，调距单元带动待测器件沿基座移动，当移动至设定位置时，此时固定元件可穿过定位槽180a与任一定位孔170b相配合实现调距单元180与基座170的相对固定，从而使得待测器件与原子气室之间的距离与待测器件在实际工作中与原子气室之间的相对距离相同，从而提高约翰逊噪声测试的精度。

进一步地，在本发明中，为了实现待测器件的可靠固定，可将锁紧组件190配置为包括器件固定板191和多个固定压脚192，器件固定板191固定设置在调距单元180上，多个固定压脚192沿器件固定板191的周向间隔设置在器件固定板191上，多个固定压脚192用于固定待测器件。

此外，在本发明中，为了提高测量精度，需要有效屏蔽环境噪声从而为原子气室400提供零磁场环境。在本发明中，基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括三轴补磁线圈200、铁氧体磁屏蔽单元210、坡莫合金磁屏蔽桶220和坡莫合金磁屏蔽桶盖230，三轴补磁线圈200、铁氧体磁屏蔽单元210和坡莫合金磁屏蔽桶220依次设置在原子气室的外部，坡莫合金磁屏蔽桶盖230设置在坡莫合金磁屏蔽桶220的开口端且位于坡莫合金磁屏蔽桶220和基座170之间，坡莫合金磁屏蔽桶220用于为原子气室提供粗屏蔽环境，铁氧体磁屏蔽单元210用于为原子气室提供精屏蔽环境，三轴补磁线圈200用于为原子气室提供零磁场环境。

进一步地，在本发明中，为了在保证小体积的前提下完成对原子气室的加热，可将基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置配置为还包括交流加热片240、氮化硼加热结构250、气凝胶隔热层260和气室支撑结构270，氮化硼加热结构250具有气室容纳腔250a，原子气室设置在气室容纳腔250a内，交流加热片240设置在氮化硼加热结构250上，氮化硼加热结构250设置在气室支撑结构270内，气凝胶隔热层260设置在气室支撑结构270的端部。

此外，在本发明中，为了抑制光强度噪声，优化检测光路的光路位置，可将基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置配置为还包括液晶玻片280和第一里斯利棱镜对290，液晶玻片设置在检测光光源10和第一偏振分束棱镜20之间，第一里斯利棱镜对290设置在第一偏振分束棱镜20和第一消偏振分束棱镜30之间，检测光光源10发出的检测光依次经过液晶玻片280、第一偏振分束棱镜20和第一里斯利棱镜对290进入消偏振分束棱镜。

进一步地，在本发明中，为了优化驱动光路的光路位置，调节光路准直，可将基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置配置为还包括第二里斯利棱镜对300，第二里斯利棱镜对300设置在驱动光光源50和四分之一玻片之间，驱动光光源50发出的驱动光依次经过第二里斯利棱镜对300和四分之一玻片60进入第二消偏振分束棱镜70。

此外，在本发明中，为了优化第一检偏光路的光路位置，调节光路准直，可将基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置配置为还包括第三里斯利棱镜对310，第三里斯利棱镜对310设置在第三反射镜90和第一二分之一玻片100之间，第三反射镜90对从原子气室射出的第一检测光进行反射后依次进入第三里斯利棱镜对310、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110和第一光电探测组件120。

进一步地，在本发明中，为了优化第二检偏光路的光路位置，调节光路准直，可将基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置配置为还包括第四里斯利棱镜对320，第四里斯利棱镜对320设置在第四反射镜130和第二二分之一玻片140之间，第四反射镜130对从原子气室射出的第二检测光进行反射后依次进入第四里斯利棱镜对320、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150和第二光电探测组件160。

进一步地，在本发明中，为了计算获取待测器件的约翰逊噪声，可将第一光电探测组件120配置为包括第一光电探测器121和第二光电探测器122，第一光电探测器121用于探测第一光信号，第二光电探测器122用于探测第二光信号，第一检测光信号可根据第一光信号和第二光信号差分计算获取；第二光电探测组件160包括第三光电探测器161和第四光电探测器162，第三光电探测器161用于探测第三光信号，第四光电探测器162用于探测第四光信号，第二检测光信号可根据第三光信号和第四光信号差分计算获取，噪声计算单元通过对第一检测光信号和第二检测光信号差分计算获取待测器件的约翰逊噪声。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图6对本发明所提供的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置进行详细说明。

如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，该基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置包括检测光光源10、第一偏振分束棱镜20、第一消偏振分束棱镜30、第一反射镜40、驱动光光源50、四分之一玻片60、第二消偏振分束棱镜70、第二反射镜80、第三反射镜90、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110、第一光电探测组件120、第四反射镜130、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150、第二光电探测组件160、基座170、调距单元180、锁紧组件190、噪声计算单元、三轴补磁线圈200、铁氧体磁屏蔽单元210、坡莫合金磁屏蔽桶220、坡莫合金磁屏蔽桶盖230、交流加热片240、氮化硼加热结构250、气凝胶隔热层260、气室支撑结构270、液晶玻片280、第一里斯利棱镜对290、第二里斯利棱镜对300、第三里斯利棱镜对310和第四里斯利棱镜对320，检测光光源10、液晶玻片280、第一偏振分束棱镜20、第一里斯利棱镜对290、第一消偏振分束棱镜30和第一反射镜40构成了检测光光路，驱动光光源50、第二里斯利棱镜对300、四分之一玻片60、第二消偏振分束棱镜70和第二反射镜80构成了驱动光光路，第三反射镜90、第三里斯利棱镜对310、第一二分之一玻片100、第二偏振分束棱镜110和第一光电探测组件120构成了第一检偏光路，第四反射镜130、第四里斯利棱镜对320、第二二分之一玻片140、第三偏振分束棱镜150、第二光电探测组件160构成了第二检偏光路。

该基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置可在小体积模块化结构下，实现原子磁强计器部件约翰逊噪声的高精度判定，并提供多距离短距离下的约翰逊噪声模拟测试，为批量化生产的原子磁强计提供器部件约翰逊噪声检测。翰逊噪声测试装置光路系统包括小型化VCSEL光源、小型化光学元件、2mm内腔原子气室及器部件位移装置。小型化光学元件包括修改光源偏振特性的二分之一玻片、四分之一玻片、偏振分束棱镜，降低检测光强度噪声的液晶玻片，调节光路准直的里斯利棱镜对，50/50分光的消偏振分束棱镜以及接收检测光的小尺寸光电探测器。

检测光光路中利用偏振分束棱镜及液晶玻片实现检测光强度噪声抑制，降低测试系统中技术噪声水平。检测光路、驱动光路中均使用消偏振分束棱镜将光源功率均分，实现双路差分探测。其中驱动光路使用四分之一玻片将驱动光源调节至圆偏振光。检偏光路则结合二分之一玻片和偏振分束棱镜组合，实现光偏振探测。三种光路中均配备相应的里斯里棱镜对优化光路准直程度。

高性能磁屏蔽装置包括三层坡莫合金磁屏蔽桶、内层铁氧体磁屏蔽桶、三轴补磁线圈和三层坡莫合金磁屏蔽桶盖，三层坡莫合金磁屏蔽桶为原子气室屏蔽环境磁场干扰，提供对外界磁场粗屏蔽，内层铁氧体磁屏蔽桶为原子气室提供优于10fT水平的磁噪声测试环境，为测试气室提供精屏蔽环境，三轴补磁线圈则排除待测器部件的剩磁干扰，以及测试系统所具有的光频移虚拟磁场影响，为气室测试器件约翰逊噪声提供最终零磁场环境。磁屏蔽桶盖则配合磁屏蔽桶，完成零磁环境搭建。原子控温装置包括交流加热片、氮化硼加热结构、气凝胶隔热层及相应的气室支撑结构。交流加热片结合氮化硼导热结构，实现远端气室加热，避免测试系统受额外加热噪声影响降低约翰逊噪声分辨率。气凝胶隔热层可在实现对2mm×2mm×6mm气室进行保温的同时，最大程度缩短待测器件与气室中心距离，完成最小3mm距离下约翰逊噪声测试，为随空间三次方指数衰减的约翰逊噪声测试提供良好测试环境。

样品固定装置由三枚塑料制器件固定压脚及器件固定板组成。三枚固定压脚可有效定位器部件位置，器件固定板则保证器件与位移装置间连接。位移装置包括调距板及基座(即外置定位块)。通过调节调距板在外置定位块上的相对位置，并使用塑料螺丝完成调距板与外置定位块间的位置固定，从而实现测试器件的位置控制，调节器件与测试气室中心相对距离的操控。

所述实施例待测器件样品包括但不限于热电阻、电加热片、柔性PCB等原子磁强计中器部件。

热电阻自身包含高约翰逊噪声的金属材料，尤其热电阻包含两高导电金属管腿。在原子磁强计气室控温过程中，热传感高度依赖热电阻传感温度。故所述实施例可使用检测模块固定热电阻，在距气室中心大于等于3mm范围内，模拟真实磁强计中热电阻距原子气室距离，测试器件约翰逊噪声，为原子磁强计约翰逊噪声抑制提供直接参考测试。

电加热片为原子磁强计中，气室控温过程中执行机构。在磁强计设计中为降低磁强计体积，通常将电加热片置于原子气室较近位置，甚至于气室表面。所述实施例可将电加热片置于传感模块中气室表面开展测试，测试约翰逊噪声。由于传感模块中气室与待测器件间存在气凝胶隔热层，故所述装置可在电加热片通电工作下进行噪声测试。

柔性PCB为原子磁强计中引线部分，包括但不限于连接光源、热电阻、表头内置线圈、光电探测器等器件，于磁强计中应用最为广泛。其中柔性PCB中导电部分主要以高导电的铜为基础材料，这使得柔性PCB具备创造高约翰逊噪声条件。另外柔性PCB在制作过程中，受工艺条件影响，生产过程中存在铁、镍等磁性物质掺杂。掺杂程度不一，使柔性PCB存在批次性约翰逊噪声差异。故所述实施例可对柔性PCB约翰逊噪声进行批次性检测，为保证磁强计飞特级灵敏度提供保证。

综上所述，本发明提供了一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，该磁约翰逊噪声测试装置具备小体积易集成、高精度易直读、短距离多距离直测的特点，为原子磁探测传感器器部件筛选提供了稳定手段。该磁约翰逊噪声测试装置与现有技术相比，具有以下优点。

第一，小尺寸气室、小型光学元件配合小型VCSEL光源，结合模块化的结构设计，可在小体积下实现器部件约翰逊噪声测试，规避了传统实验室大科学装置使用环境单一不易移动的问题，有效提升了器部件约翰逊噪声的多场景测试能力。

第二，结合高性能磁屏蔽结构，及差分探测设计，及远端加热、上电器件外置的低约翰逊噪声设计，该系统可保证对fT量级的器部件约翰逊噪声进行高精度测试，并可直接判读出磁强计约翰逊噪声水平，无需后续处理。

第三，可模拟器部件在实际磁强计中特定距离下的约翰逊噪声水平，为高约翰逊噪声器件在磁强计中的应用提供了直接判断依据。

第四，可模拟距气室中心最短3mm下距离约翰逊噪声测试，为磁强计中气室附近器部件约翰逊噪声测试提供了直接手段。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置包括：

检测光光源(10)、第一偏振分束棱镜(20)、第一消偏振分束棱镜(30)和第一反射镜(40)，所述检测光光源(10)发出的检测光经过所述第一偏振分束棱镜(20)进入所述第一消偏振分束棱镜(30)，所述第一消偏振分束棱镜(30)将所述检测光分为第一检测光和第二检测光，所述第一检测光直接进入原子气室，所述第二检测光经所述第一反射镜(40)反射后进入所述原子气室；

驱动光光源(50)、四分之一玻片(60)、第二消偏振分束棱镜(70)和第二反射镜(80)，所述驱动光光源(50)发出的驱动光经过所述四分之一玻片(60)进入所述第二消偏振分束棱镜(70)，所述第二消偏振分束棱镜(70)将所述驱动光分为第一驱动光和第二驱动光，所述第一驱动光直接进入原子气室，所述第二驱动光经所述第二反射镜(80)反射后进入所述原子气室；

第三反射镜(90)、第一二分之一玻片(100)、第二偏振分束棱镜(110)和第一光电探测组件(120)，所述第三反射镜(90)对从所述原子气室射出的所述第一检测光进行反射后依次进入所述第一二分之一玻片(100)、所述第二偏振分束棱镜(110)和所述第一光电探测组件(120)，所述第一光电探测组件(120)探测获取第一检测光信号；

第四反射镜(130)、第二二分之一玻片(140)、第三偏振分束棱镜(150)和第二光电探测组件(160)，所述第四反射镜(130)对从所述原子气室射出的所述第二检测光进行反射后依次进入所述第二二分之一玻片(140)、所述第三偏振分束棱镜(150)和所述第二光电探测组件(160)，所述第二光电探测组件(160)探测获取第二检测光信号；

基座(170)、调距单元(180)和锁紧组件(190)，所述调距单元(180)可移动地设置在所述基座(170)上，所述锁紧组件(190)设置在所述调距单元(180)上，所述锁紧组件(190)用于锁紧待测器件，所述调距单元(180)用于调节所述待测器件与所述原子气室之间的距离；

噪声计算单元，所述噪声计算单元根据所述第一检测光信号和所述第二检测光信号计算获取待测器件的约翰逊噪声。

2.根据权利要求1所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基座(170)具有基座容纳腔(170a)和多个定位孔(170b)，多个所述定位孔(170b)设置在所述基座容纳腔(170a)的腔壁上，所述调距单元(180)可移动地设置在所述基座容纳腔(170a)内，所述调距单元(180)具有多个定位槽(180a)，多个所述定位槽(180a)沿所述调距单元(180)的长度方向依次设置，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括固定元件，所述固定元件可穿过所述定位槽(180a)与任一所述定位孔(170b)相配合实现所述调距单元(180)与所述基座(170)的相对固定。

3.根据权利要求2所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述锁紧组件(190)包括器件固定板(191)和多个固定压脚(192)，所述器件固定板(191)固定设置在所述调距单元(180)上，多个所述固定压脚(192)沿所述器件固定板(191)的周向间隔设置在所述器件固定板(191)上，多个所述固定压脚(192)用于固定所述待测器件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括三轴补磁线圈(200)、铁氧体磁屏蔽单元(210)、坡莫合金磁屏蔽桶(220)和坡莫合金磁屏蔽桶盖(230)，所述三轴补磁线圈(200)、所述铁氧体磁屏蔽单元(210)和所述坡莫合金磁屏蔽桶(220)依次设置在所述原子气室的外部，所述坡莫合金磁屏蔽桶盖(230)设置在所述坡莫合金磁屏蔽桶(220)的开口端且位于所述坡莫合金磁屏蔽桶(220)和所述基座(170)之间，所述坡莫合金磁屏蔽桶(220)用于为所述原子气室提供粗屏蔽环境，所述铁氧体磁屏蔽单元(210)用于为所述原子气室提供精屏蔽环境，所述三轴补磁线圈(200)用于为所述原子气室提供零磁场环境。

5.根据权利要求4所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括交流加热片(240)、氮化硼加热结构(250)、气凝胶隔热层(260)和气室支撑结构(270)，所述氮化硼加热结构(250)具有气室容纳腔(250a)，所述原子气室设置在所述气室容纳腔(250a)内，所述交流加热片(240)设置在所述氮化硼加热结构(250)上，所述氮化硼加热结构(250)设置在所述气室支撑结构(270)内，所述气凝胶隔热层(260)设置在所述气室支撑结构(270)的端部。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括液晶玻片(280)和第一里斯利棱镜对(290)，所述液晶玻片设置在所述检测光光源(10)和所述第一偏振分束棱镜(20)之间，所述第一里斯利棱镜对(290)设置在所述第一偏振分束棱镜(20)和所述第一消偏振分束棱镜(30)之间，所述检测光光源(10)发出的检测光依次经过所述液晶玻片(280)、所述第一偏振分束棱镜(20)和所述第一里斯利棱镜对(290)进入所述第一消偏振分束棱镜(30)。

7.根据权利要求6所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第二里斯利棱镜对(300)，所述第二里斯利棱镜对(300)设置在所述驱动光光源(50)和所述四分之一玻片之间，所述驱动光光源(50)发出的驱动光依次经过所述第二里斯利棱镜对(300)和所述四分之一玻片(60)进入所述第二消偏振分束棱镜(70)。

8.根据权利要求7所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第三里斯利棱镜对(310)，所述第三里斯利棱镜对(310)设置在所述第三反射镜(90)和所述第一二分之一玻片(100)之间，所述第三反射镜(90)对从所述原子气室射出的所述第一检测光进行反射后依次进入所述第三里斯利棱镜对(310)、所述第一二分之一玻片(100)、所述第二偏振分束棱镜(110)和所述第一光电探测组件(120)。

9.根据权利要求8所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置还包括第四里斯利棱镜对(320)，所述第四里斯利棱镜对(320)设置在所述第四反射镜(130)和所述第二二分之一玻片(140)之间，所述第四反射镜(130)对从所述原子气室射出的所述第二检测光进行反射后依次进入所述第四里斯利棱镜对(320)、所述第二二分之一玻片(140)、所述第三偏振分束棱镜(150)和所述第二光电探测组件(160)。

10.根据权利要求9所述的基于原子传感的磁约翰逊噪声测试装置，其特征在于，所述第一光电探测组件(120)包括第一光电探测器(121)和第二光电探测器(122)，所述第一光电探测器(121)用于探测第一光信号，所述第二光电探测器(122)用于探测第二光信号，所述第一检测光信号可根据所述第一光信号和所述第二光信号差分计算获取；所述第二光电探测组件(160)包括第三光电探测器(161)和第四光电探测器(162)，所述第三光电探测器(161)用于探测第三光信号，所述第四光电探测器(162)用于探测第四光信号，所述第二检测光信号可根据所述第三光信号和所述第四光信号差分计算获取，所述噪声计算单元通过对所述第一检测光信号和所述第二检测光信号差分计算获取所述待测器件的约翰逊噪声。

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