CN116068465A - 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置 - Google Patents

一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN116068465A
CN116068465A CN202211597542.2A CN202211597542A CN116068465A CN 116068465 A CN116068465 A CN 116068465A CN 202211597542 A CN202211597542 A CN 202211597542A CN 116068465 A CN116068465 A CN 116068465A
Authority
CN
China
Prior art keywords
atomic magnetometer
serf atomic
microminiature
magnetometer
extremely weak
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211597542.2A
Other languages
English (en)
Inventor
房建成
翟跃阳
马建
周斌权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Institute Of Extremely Weak Magnetic Field Major Science And Technology Infrastructure
Original Assignee
Hangzhou Institute Of Extremely Weak Magnetic Field Major Science And Technology Infrastructure
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Institute Of Extremely Weak Magnetic Field Major Science And Technology Infrastructure filed Critical Hangzhou Institute Of Extremely Weak Magnetic Field Major Science And Technology Infrastructure
Priority to CN202211597542.2A priority Critical patent/CN116068465A/zh
Publication of CN116068465A publication Critical patent/CN116068465A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/242—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents
    • A61B5/243—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents specially adapted for magnetocardiographic [MCG] signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/242—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents
    • A61B5/245—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents specially adapted for magnetoencephalographic [MEG] signals

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本申请涉及一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，属于极弱磁测量领域。装置由光源、磁强计和电子测控系统组成。针对极弱磁测量高分辨率和低成本需求，设计微小型SERF原子磁强计，对内部光路等关键器部件进行一体化设计，结合偏振组合棱镜，大大缩小磁强计体积；增加导热器件，提升加热效率和温度均匀性；对磁强计的控制和检测信号由屏蔽线缆连接至电子测控系统，对磁强计进行温度控制、磁场控制和光电信号的检测处理。本发明可为阵列极弱磁测量提供低成本、高可靠性和高分辨率的解决方案。

Description

一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置
技术领域
本发明涉及极弱磁测量领域，具体涉及一种基于微小型无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free，SERF)原子磁强计的极弱磁测量装置。
背景技术
在近二十年以来，基于原子操控的传感和测量技术大放异彩，人类的探测能力得到巨大提升，推动多项学科和领域发展。其中，极弱磁场测量及其相关技术在过去一段时间内蓬勃发展，在前沿科学、计量基准、心脑磁医学等领域有着巨大的应用前景。基于SERF原子自旋效应的极弱磁测量装置，目前已实现优于0.1fT/Hz1/2的超高灵敏度。目前该装置体积巨大且成本高昂，相比之下，应用相同原理的SERF原子磁强计体积更小，成本也更低，有着更高的应用价值和潜力。SERF原子磁强计在灵敏度、测量范围、响应频带范围等属性上，相比其他磁强计具有诸多显著优势，目前来看有很大希望通过阵列集成等方式制成极弱磁测量仪器，向产业化方向发展。然而现有的SERF原子磁强计体积仍然较大，内部光路部分有待进一步集成化，在工作过程中，由于内部存在导热和隔热方面的问题，经常出现器件损坏或者灵敏度下降的情况，这大大降低了磁强计作为产品的可靠性和稳定性。另一方面，现有的SERF原子磁强计一般由多台商用仪器进行检测和控制，这也使磁强计的操控变得及其复杂，并且多台仪器间往往有着诸多连线，对检测灵敏度也有一定的干扰。并且，由于使用商用仪器的缘故，操控接口极其受限，导致现有的磁强计系统里多为单个磁强计。以上所述现状，均制约了SERF原子磁强计的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，具低成本、高可靠性、高分辨率、高稳定性等特性。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，包括：光源、SERF原子磁强计和电子测控系统，所述的光源出射端通过保偏光纤与SERF原子磁强计入射端相连，SERF原子磁强计通过信号线缆与电子测控系统相连；
所述的SERF原子磁强计内设有加热测温装置和磁补偿装置，分别用于补偿SERF原子磁强计内碱金属气室的工作温度和工作磁场，所述的加热测温装置和磁补偿装置由电子测控系统控制。
进一步地，所述的SERF原子磁强计包括准直器、偏振组合棱镜、碱金属气室和光电探测器，由光源发射的偏振激光经过准直器准直后入射到偏振组合棱镜，转变为圆偏振光后入射至碱金属气室，圆偏振光从碱金属气室出射后由光电探测器接收。
进一步地，所述的电子测控系统包括信号转换模块、温度控制模块、磁场控制模块、光电信号处理模块；所述的温度控制模块通过信号转换模块连接SERF原子磁强计内的加热测温装置，所述的磁场控制模块通过信号转换模块连接SERF原子磁强计内的磁补偿装置，所述的光电信号处理模块通过信号转换模块连接SERF原子磁强计中的光电探测器；所述的信号转换模块用于传输SERF原子磁强计的温度信号、光电探测信号、以及温度控制模块发出的温度控制信号、磁场控制模块发出的磁场补偿/调制控制信号。
进一步地，所述的碱金属气室内充有碱金属气体，在工作状态下，所述的碱金属气体处于SERF状态。
进一步地，所述的加热测温装置置于碱金属气室的非通光面，所述的加热测温装置外围设有无磁导热膜。
进一步地，所述的磁补偿装置为三维线圈，所述的三维线圈置于无磁导热膜的外围。
进一步地，所述的偏振组合棱镜由线偏振片、四分之一波片和直角反射棱镜胶合而成，所述的偏振组合棱镜的出入射面设有增透膜，由偏振组合棱镜出射的圆偏振光椭偏率高于1:0.92。
进一步地，所述的SERF原子磁强计由无磁材料制成。
进一步地，所述的信号线缆为双绞屏蔽线缆。
本发明的有益效果如下：
1、本发明综合考虑磁强计的使用场景和需求，对其内部光路等关键器部件进行一体化设计，结合偏振组合棱镜，整体结构简单，大大缩小磁强计体积，能够提升磁场测量的空间分辨率。
2、本发明在磁强计内部增加加热和导热器件，提高碱金属气室的受热均匀性，进一步提升加热效率和保温效果，维持温度稳定性。
3、本发明考虑阵列集成式极弱测量的应用前景，采用磁强计连接电子测控系统的方式，通过电子测控系统实现对磁强计碱金属气室的温度、补磁的控制，进一步处理光电探测信号实现极弱磁测量，为阵列式磁强计集成测控打下基础。
附图说明
图1为本发明提出的基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置的结构图；
图2为本发明的提出的极弱磁测量装置的信号传输示意图；
图3为偏振组合棱镜的结构示意图；
图4为三维线圈的示意图；
图中：1-光源；2-保偏光纤；3-SERF原子磁强计；4-信号线缆；5-电子测控系统；6-准直器；7-偏振组合棱镜；701-线偏振片；702-四分之一波片；703-直角反射棱镜；8-碱金属气室；9-加热测温装置；10-导热膜；11-三维线圈；1101-柔性电路板；1102-矩形亥姆霍兹线圈；12-光电探测器；13-信号转换模块；14-温度控制模块；15-磁场控制模块；16-光电信号处理模块。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出的基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置包括光源1、微小型SERF原子磁强计3和电子测控系统5。
所述的光源1输出的稳定偏振激光通过保偏光纤2进入微小型SERF原子磁强计3，对磁强计的控制信号和检测信号经信号线缆4连接至电子测控系统5。
在本发明的一项具体实施中，微小型SERF原子磁强计3包括准直器6、偏振组合棱镜7、碱金属气室8、加热测温装置9、导热膜10、三维线圈11、光电探测器12；所述的碱金属气室8内为碱金属气体。由光源1输出的所述的稳定偏振激光经过准直器6准直后入射至偏振组合棱镜7，变为圆偏振光后再入射至碱金属气室8，从碱金属气室8出射的光由光电探测器12接收。
在本发明的一项具体实施中，所述的偏振组合棱镜7由线偏振片701、四分之一波片702和直角反射棱镜703胶合而成，其中，线偏振片701、四分之一波片702叠加后与直角反射棱镜703的直角入射面胶合，由准直器发出的激光经线偏振片701、四分之一波片702后入射至直角反射棱镜703，经直角反射棱镜703的斜面反射后，从直角反射棱镜703的直角出射面射出。所述的偏振组合棱镜7的出入射面设有增透膜，由偏振组合棱镜出射的圆偏振光椭偏率高于1:0.92。
所述的碱金属气室8是敏感外部弱磁场的核心器部件，内充有一小滴碱金属以及600Torr的氮气。加热测温装置9将碱金属气室的温度稳定控制在135℃以获得高碱金属原子密度，而氮气的存在是为了抑制碱金属原子蒸气的扩散。
本发明在微小型SERF原子磁强计3内设计有加热测温装置9、导热膜10和三维线圈11，所述的加热测温装置9置于碱金属气室8的非通光面，加热测温装置9上安装有测温传感器；导热膜10置于加热测温装置9的外侧，由于加热测温装置置于碱金属气室的非通光面，导热膜可以使得碱金属气室受热更加均匀。所述的三维线圈11置于导热膜10的外侧，用于对碱金属气室8施加补偿磁场和调制磁场。在本发明的一项具体实施中，如图4所示，三维线圈11为印制在柔性电路板1101上的六组矩形亥姆霍兹线圈1102构成。三维线圈11首先将原子磁强计周围的磁场补偿至零，之后在磁强计的敏感轴方向施加高频调制磁场。
本实施例中，所述光源1能够提供功率和波长稳定的偏振激光。连接光源1和微小型SERF原子磁强计3的所述保偏光纤2消光比达到20dB以上。所述微小型SERF原子磁强计3在工作过程中应处于磁屏蔽系统内。
在本发明的一项具体实施中，电子测控系统5包括信号转换模块13、温度控制模块14、磁场控制模块15和光电信号处理模块16。
所述的信号转换模块13用于传输原子磁强计的温度信号、光电探测信号、以及电子测控系统的温度控制信号、磁场补偿/调制控制信号。
如图2所示，本发明提出的上述极弱磁测量装置的工作过程如下：
工作前，首先将微小型SERF原子磁强计3放置于磁屏蔽系统中，检查保偏光纤2和信号线缆4的连接；
启动光源1，通过电子测控系统5中的光电信号处理模块16检查并调节光源1，使其处于正常出光状态；
从加热测温装置9中的测温传感器获取测温电信号，经信号线缆4传输后送入信号转换模块13，转换过后的信号送入到温度控制模块14；由温度控制模块14产生温度控制信号，再经信号转换模块13转换后通过信号线缆4传输至加热测温装置9，用于对碱金属气室8进行加热，使碱金属气体工作于SERF状态。
由磁场控制模块15产生低频正弦信号，经信号转换模块13转换后通过信号线缆4传输至三维线圈11，用于对碱金属气室8施加补偿磁场，依次进行三维磁场补偿，抵消三维方向上的磁信号。
由磁场控制模块15产生调制正弦信号，经信号转换模块13转换后通过信号线缆4传输至三维线圈11中待测量方向的磁线圈上，对碱金属气室8施加调制磁场，实现待测量方向的磁检测。
激光经光电探测器16转换为光强电信号，光强电信号经信号线缆4传输至信号转换模块13，转换过后的信号送入到光电信号处理模块16，经过调制解调等处理最终得到待测磁场信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，包括：光源(1)、SERF原子磁强计(3)和电子测控系统(5)，所述的光源(1)出射端通过保偏光纤与SERF原子磁强计(3)入射端相连，SERF原子磁强计(3)通过信号线缆与电子测控系统(5)相连；
所述的SERF原子磁强计(3)内设有加热测温装置(9)和磁补偿装置，分别用于补偿SERF原子磁强计内碱金属气室(8)的工作温度和工作磁场，所述的加热测温装置(9)和磁补偿装置由电子测控系统(5)控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的SERF原子磁强计(3)包括准直器(6)、偏振组合棱镜(7)、碱金属气室(8)和光电探测器(12)，由光源(1)发射的偏振激光经过准直器(6)准直后入射到偏振组合棱镜(7)，转变为圆偏振光后入射至碱金属气室(8)，圆偏振光从碱金属气室(8)出射后由光电探测器(12)接收。
3.根据权利要求2所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的电子测控系统(5)包括信号转换模块(13)、温度控制模块(14)、磁场控制模块(15)、光电信号处理模块(16)；所述的温度控制模块(14)通过信号转换模块(13)连接SERF原子磁强计(3)内的加热测温装置(9)，所述的磁场控制模块(15)通过信号转换模块(13)连接SERF原子磁强计(3)内的磁补偿装置，所述的光电信号处理模块(16)通过信号转换模块(13)连接SERF原子磁强计(3)中的光电探测器(12)；所述的信号转换模块(13)用于传输SERF原子磁强计(3)的温度信号、光电探测信号、以及温度控制模块(14)发出的温度控制信号、磁场控制模块(15)发出的磁场补偿/调制控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的碱金属气室(8)内充有碱金属气体，在工作状态下，所述的碱金属气体处于SERF状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的加热测温装置(9)置于碱金属气室(8)的非通光面，所述的加热测温装置(9)外围设有无磁导热膜(10)。
6.根据权利要求5所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的磁补偿装置为三维线圈(11)，所述的三维线圈(11)置于无磁导热膜(10)的外围。
7.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的偏振组合棱镜(7)由线偏振片(701)、四分之一波片(702)和直角反射棱镜(703)胶合而成，所述的偏振组合棱镜(7)的出入射面设有增透膜，由偏振组合棱镜出射的圆偏振光椭偏率高于1:0.92。
8.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的SERF原子磁强计(3)由无磁材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种基于微小型SERF原子磁强计的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的信号线缆为双绞屏蔽线缆。
CN202211597542.2A 2022-12-12 2022-12-12 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置 Pending CN116068465A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211597542.2A CN116068465A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211597542.2A CN116068465A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116068465A true CN116068465A (zh) 2023-05-05

Family

ID=86170787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211597542.2A Pending CN116068465A (zh) 2022-12-12 2022-12-12 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116068465A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117147004A (zh) * 2023-10-30 2023-12-01 之江实验室 一种用于弱磁场环境下的高精度温度与磁场信号测量装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117147004A (zh) * 2023-10-30 2023-12-01 之江实验室 一种用于弱磁场环境下的高精度温度与磁场信号测量装置
CN117147004B (zh) * 2023-10-30 2024-03-26 之江实验室 一种用于弱磁场环境下的高精度温度与磁场信号测量装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106526277B (zh) 一种用于低压光学电流传感器的新型光路传感单元
US11105865B2 (en) High-sensitivity multi-channel atomic magnetometer
WO2022041701A1 (zh) 原子磁强计及磁场成像系统
WO2000023811A1 (en) Methods and apparatus for optically measuring polarization rotation of optical wave fronts using rare earth iron garnets
CN111366881B (zh) 基于Sagnac干涉系统的全偏振法拉第磁场传感器及调制方法
CN104698410A (zh) 用于磁力仪的原子磁传感器及消除磁力仪探测盲区的方法
CN116068465A (zh) 一种基于微小型serf原子磁强计的极弱磁测量装置
CN113945744B (zh) 一种全光纤直流电流互感器温度补偿系统及方法
CN113721173B (zh) 一种基于反射式双向泵浦的光纤serf原子磁力仪装置
US20080238419A1 (en) Magnetic field measuring apparatus capable of measuring at high spatial resolution
CN105449512A (zh) 一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法
US20130038324A1 (en) Apparatus method and system of an ultra sensitivity optical fiber magneto optic field sensor
CN114527414A (zh) 自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统及方法
JP2004093257A (ja) 光センサユニット
CN112034229A (zh) 一种全光纤电压互感器
CN103995166A (zh) 一种温度补偿的光学电流测量模块及光学电流互感器
CN111766429A (zh) 一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法
Nascimento et al. Novel optical current sensor for metering and protection in high power applications
CN113842147B (zh) 一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置
US10466288B2 (en) Fiber optic pulsed polarimetry
CN113311369A (zh) 基于光纤环形器的微小型原子磁强计及磁成像系统
CN106706992B (zh) 采用偏振检测法的闭环反馈式全光纤电路互感器
US11442119B2 (en) Magnetometer with optical pumping of a sensitive element with linearly polarised light and multiple-pass in the sensitive element
CN108732405B (zh) 一种无源光学强度调制型电流互感器及母线电流检测方法
CN111562422A (zh) 无源电子式电流互感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination