CN115754845B - 基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法，该方法使用空间光调制器将通过碱金属气室的抽运激光调制成空间圆锥螺旋线矢量光，并用光束质量分析仪测量抽运激光的光强通过气室前后在平面投影上的衰减信息，利用圆偏振态光强衰减公式，拟合出原子自旋极化率，不断改变圆锥螺旋线的参数，使矢量光扫过气室内所有三维像素点，得到极化率在空间内的分布，进一步利用布洛赫方程的稳态解解算出外部磁场值，得到磁场在三维空间上微米像素量级的成像结果，本发明理论依据充分合理，实验操作简单，可以实现极高空间分辨率的磁场测量，未来有望服务于生物医疗，基础理论研究等多个领域。

Description

基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法

技术领域

本发明属于磁场技术领域，具体是一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法。

背景技术

磁场成像技术在天文观测、医疗病灶探查、生物磁场分析、基础物理研究、电子工业等多个领域有着应用，目前常用的磁成像技术包括核磁共振成像、微波磁成像等，但精度有限，且都是二维平面成像，所以在应用上有一定限制，例如核磁共振在对人体进行检查时，要求病人不能带有心脏起搏器和金属异物。因此，需要一种能够实现磁场三维立体成像的方法和装置。在多种磁传感器中，原子磁场计受到了广泛的关注，它利用了原子在外磁场作用下的磁矩旋转效应，因而具有较高的灵敏度，使用时，需要用抽运激光将碱金属原子极化从而实现原子自旋的宏观指向，因此，可以利用圆偏光在碱金属气室内被吸收而导致光强衰减的特性测量出原子的极化率分布，进而测量出外部磁场的大小。但这种方法只能测量出气室外部磁场的平均值，无法实现在较高空间分辨率上的磁场分布。

光场调控技术可以实现对激光振幅、相位、功率密度、偏振态等重要参数的调控，架构出非均匀分布的空间矢量光场。这样，可以更灵活方便的操控光场，生成多类新型空间结构光场，如无衍射光束、矢量涡旋光束等，可以应用到全息成像、光信息存储、激光加工等多个领域。如果将光场调控技术应用到原子磁强计中，对圆偏振抽运光进行矢量调控，使其携带极化率的空间位置信息，就能通过测量极化率在三维空间的分布，实现磁场的三维成像。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，办发明提出了一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法，基于空间光调制器将原子磁强计抽运光的调制成圆锥螺旋矢量光，利用碱金属气室对光的吸收作用，使用高分辨率的光束质量分析仪对光强的变化进行采集，通过获取气室前后圆偏振抽运光光强衰减信息进行极化率测量，用上位机对采集的数据进行拟合和处理，从而实现磁场的三维成像。

本发明提供了一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，包括沿光路方向依次设置的激光器，扩束镜、空间光调制器，分光棱镜、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、第二光束质量分析仪以及位于分光棱镜另一束光方向的第一光束质量分析仪，所述第一光束质量分析仪和第二光束质量分析仪均电连接上位机数据处理系统；所述的碱金属原子气室外部由内向外依次设置无磁电加热烤箱、隔热保温材料腔、磁补偿线圈、磁屏蔽桶；

所述激光器发射出的抽运激光经过扩束镜将光斑放大，然后进入空间光调制器调控成微米像素级别的空间矢量光，调控后的激光通过分光棱镜按比例分为两束，一束由第一光束质量分析仪接收对入射光光强进行检测，另一束激光经过偏振元件和四分之一波片后确保以圆偏振态入射到经过高温加热的碱金属原子气室中，经过碱金属原子气室的激光被第二光束质量分析仪接收监控出射光光强。

作为优选，所述空间光调制器的分辨率为1024*1024个单元，每个单元的大小为12.5um。

作为优选，所述的碱金属气室内的气体为钾、铷、铯其中的任意一种或两种，且处于SERF态。

作为优选，所述无磁电加热烤箱采用氮化硼材料制成。

本发明还提供了一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像方法，包括以下步骤：

S1：搭建调整光路，开启激光器，开启无磁电加热烤箱使碱金属原子气室内的碱金属原子处于SERF态，令原子磁强计处于测量工作状态，令原子磁强计处于测量工作状态；

S2：用空间光调制器将抽运激光调制成空间螺旋线形状；

S3：用光束质量分析仪测量空间圆锥螺旋线矢量光光强在通过气室前后在二维平面上的投影；

S4：用空间光调制器改变空间圆锥螺旋线矢量光的初始光强，重复步骤S3；

S5：根据圆偏振态光束穿过碱金属原子气室时光强衰减公式和极化率公式，拟合计算出自旋驰豫率和极化率，并计算出抽运率；

S6：改变圆锥螺旋线相关参数，重复步骤S3至S5，直到测量出三维空间所有像素点上的极化率；

S7：根据Bloch方程的稳态解，代入极化率计算出磁场在三维空间的分布。

作为优选，所述空间螺旋线形状包括圆锥螺旋线形状、斐波那契螺旋线形状、边长变化的方形螺旋线在二维平面投影没有重叠点的三维空间曲线形状。

作为优选，所述空间光调制器的分辨率为1024*1024个单元，每个单元的大小为12.5um。

本发明通过使用空间光调制器将通过碱金属气室的抽运激光调制成空间圆锥螺旋线矢量光，并用光束质量分析仪测量抽运激光的光强通过气室前后在平面投影上的衰减信息，利用圆偏振态光强衰减公式，拟合出原子自旋极化率，不断改变圆锥螺旋线的参数，使矢量光扫过气室内所有三维像素点，得到极化率在空间内的分布，进一步利用布洛赫方程的稳态解解算出外部磁场值，得到磁场在三维空间上微米像素量级的成像结果，理论依据充分合理，实验操作简单，可以实现极高空间分辨率的磁场测量，未来有望服务于生物医疗，基础理论研究等多个领域。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

附图1标记列示如下：1-抽运光激光器，2-扩束镜，3-空间光调制器， 4-分光棱镜，5、13-光束质量分析仪，6-起偏器，7-四分之一波片，8-磁补偿线圈，9-隔热保温材料腔，10-无磁电加热烤箱，11-碱金属原子气室，12-磁屏蔽桶，14-上位机数据处理系统

图2为本发明的实施流程图；

图3为空间光调制器调制的圆锥螺旋矢量光形状图；

图4为空间光调制器调制的圆锥螺旋矢量光在光束质量分析仪上的投影图；

图中：1-抽运光激光器，2-扩束镜，3-空间光调制器， 4-分光棱镜，5-第一光束质量分析仪，6-起偏器，7-四分之一波片，8-磁补偿线圈，9-隔热保温材料腔，10-无磁电加热烤箱，11-碱金属原子气室，12-磁屏蔽桶，13-第二光束质量分析仪，14-上位机数据处理系统。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提出一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，在不需要改变光路的前提下，可以测量出磁场在三维空间上的成像。装置包括沿光路方向依次设置的激光器1，扩束镜2、空间光调制器3，分光棱镜4、起偏器6、四分之一波片7、碱金属原子气室11、第二光束质量分析仪13以及位于分光棱镜4另一束光方向的第一光束质量分析仪5，所述第一光束质量分析仪5和第二光束质量分析仪13均电连接上位机数据处理系统14；所述的碱金属原子气室11外部由内向外依次设置无磁电加热烤箱10、隔热保温材料腔9、磁补偿线圈8、磁屏蔽桶12；所述的碱金属气室内的气体为钾、铷、铯其中的任意一种或两种，且处于SERF态。所述无磁电加热烤箱采用氮化硼材料制成。

所述激光器1发射出的抽运激光经过扩束镜2将光斑放大，然后进入空间光调制器3调控成微米像素级别的空间矢量光，调控后的激光通过分光棱镜4按比例分为两束，一束由第一光束质量分析仪5接收对入射光光强进行检测，另一束激光经过偏振元件6和四分之一波片7后确保以圆偏振态入射到经过高温加热的碱金属原子气室11中，经过碱金属原子气室11的激光被第二光束质量分析仪13接收监控出射光光强。

本发明的具体实施步骤包括：

S1：搭建调整光路，开启激光器，开启无磁电加热烤箱使碱金属原子气室内的碱金属原子处于SERF态，令原子磁强计处于测量工作状态，令原子磁强计处于测量工作状态；

S2：用空间光调制器将抽运激光调制成空间螺旋线形状；

S3：用光束质量分析仪测量空间圆锥螺旋线矢量光光强在通过气室前后在二维平面上的投影；

S4：用空间光调制器改变空间圆锥螺旋线矢量光的初始光强，重复步骤S3；

S5：根据圆偏振态光束穿过碱金属原子气室时光强衰减公式和极化率公式，拟合计算出自旋驰豫率和极化率，并计算出抽运率；

S6：改变圆锥螺旋线相关参数，重复步骤S3至S5，直到测量出三维空间所有像素点上的极化率；

S7：根据Bloch方程的稳态解，代入极化率计算出磁场在三维空间的分布。

其中，所述空间螺旋线形状包括圆锥螺旋线形状、斐波那契螺旋线形状、边长变化的方形螺旋线在二维平面投影没有重叠点的三维空间曲线形状。

所述空间光调制器的分辨率为1024*1024个单元，每个单元的大小为12.5um。

实施例1

如图2所示：

（1）调整光路，开启加热烤箱，使原子磁强计处于工作状态；

（2）用空间光调制器3使矢量抽运光在气室内成为空间圆锥螺旋线矢量光（如图3所示）：激光器1发射出的抽运激光经过扩束镜2将光斑放大，进入空间光调制器3调控成微米像素级别的圆锥螺旋线矢量光，螺旋线上各点光强一致，幅值为I₀，螺旋线上任意一点的坐标为

其中，a，b，c是螺旋线的形状参数，t是位置相关自变量。由公式可知，在螺旋线形状确定的条件下，若已知某点的任意一个方向的坐标，可以计算出另外两个方向的坐标值。如图3所示，定义z轴的方向是光传播的方向（即穿过气室的方向）。

（3）用光束质量分析仪检测入射光和出射光/>光强的二维平面分布：

圆偏振抽运光在碱金属气室中被吸收，沿着其传播方向光强会衰减。则光束质量分析仪13接收到的圆锥螺旋线在xy平面上的投影（如图4所示），其螺旋线上各点的光强值为：

；

是自旋弛豫率，是未知量；/>为光吸收截面，是已知量；n是原子数密度，是未知量。

（4）改变圆锥螺旋线矢量光的光强，重复步骤（3）：得到一系列和出射光/>，带入步骤（3）中公式，得到光强衰减在三维空间的信息/>并拟合出/>。

（5）根据公式拟合出圆锥螺旋线所有像素点上的极化率和自旋弛豫率，并计算出抽运率：

光传播方向极化率、自旋驰豫率和光强的关系式：

根据拟合得到的，可以计算出/>的值。

计算出抽运率：

h 是普朗克常量, P 为抽运激光功率，为光传播速度，/>为经典电子半径，/>为抽运光频率，/>为抽运激光光斑面积，/>为碱金属原子 D1 线的振荡强度，/>为原子 D1 线共振频率，/>为碱金属原子 D1 线压力展宽的线宽。

（6）改变圆锥螺旋线的a，b，c参数，重复测量，直到测量出气室内三维空间上所有像素点上的

（7）根据Bloch方程的稳态解，抽运方向的极化率还可以表示为：

是旋磁比参数，由上式可知，在已知/>，/>，/>的情况下，可以计算出，即y方向的磁场在三维空间的分布，实现空间磁场成像。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的激光器，扩束镜、空间光调制器，分光棱镜、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、第二光束质量分析仪以及位于分光棱镜另一束光方向的第一光束质量分析仪，所述第一光束质量分析仪和第二光束质量分析仪均电连接上位机数据处理系统；所述的碱金属原子气室外部由内向外依次设置无磁电加热烤箱、隔热保温材料腔、磁补偿线圈、磁屏蔽桶；

所述激光器发射出的抽运激光经过扩束镜将光斑放大，然后进入空间光调制器调控成微米像素级别的空间矢量光，调控后的激光通过分光棱镜按比例分为两束，一束由第一光束质量分析仪接收对入射光光强进行检测，另一束激光经过偏振元件和四分之一波片后确保以圆偏振态入射到经过高温加热的碱金属原子气室中，经过碱金属原子气室的激光被第二光束质量分析仪接收监控出射光光强；

所述成像装置采用的成像方法，具体步骤如下：

S1：搭建调整光路，开启激光器，开启无磁电加热烤箱使碱金属原子气室内的碱金属原子处于SERF态，令原子磁强计处于测量工作状态；

S2：用空间光调制器将抽运激光调制成空间螺旋线形状；

S3：用光束质量分析仪测量空间圆锥螺旋线矢量光光强在通过气室前后在二维平面上的投影；

S4：用空间光调制器改变空间圆锥螺旋线矢量光的初始光强，重复步骤S3；

S5：根据圆偏振态光束穿过碱金属原子气室时光强衰减公式和极化率公式，拟合计算出自旋驰豫率和极化率，并计算出抽运率；

S6：改变圆锥螺旋线相关参数，重复步骤S3至S5，直到测量出三维空间所有像素点上的极化率；

S7：根据Bloch方程的稳态解，代入极化率计算出磁场在三维空间的分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述空间光调制器的分辨率为1024*1024个单元，每个单元的大小为12.5um。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述的碱金属原子气室内的气体为钾、铷、铯其中的任意一种或两种。

4.根据权利要求2所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述碱金属原子气室内的气体处于SERF态。

5.根据权利要求1所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述无磁电加热烤箱采用氮化硼材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述空间螺旋线形状包括圆锥螺旋线形状、斐波那契螺旋线形状、边长变化的方形螺旋线在二维平面投影没有重叠点的三维空间曲线形状。

7.根据权利要求1所述的一种基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置，其特征在于：所述空间光调制器的分辨率为1024*1024个单元，每个单元的大小为12.5um。