CN116540154A - 磁力计系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种磁力计系统及方法，用于测量其附近的磁场B。所述磁力计包括一个包括原子蒸气的蒸气室；一光学处理器，用于接收一光束并引导所述光束作为一探测光束，以一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁进入所述蒸气室，用于与所述蒸气室的所述原子蒸气中的类碱原子的至少一类型相互作用，以探测其进动的一拉莫尔频率；以及一检测器，用于检测与所述原子蒸气相互作用后的所述光束，以产生指示所述拉莫尔频率的多个信号/数据。所述光学处理器包括一光学去偏振器及一偏振器，分别相对于所述光束的一传播方向，沿所述光束通过所述光学处理器的一传播路径分别依次地布置(例如，不必然连续)。

Description

磁力计系统及方法

技术领域

本发明属于磁力计领域，特别是涉及原子磁力计及由此产生的高精度磁场测量技术。

背景技术

原子磁力计(以下也称为基于蒸气室的磁力计或磁传感器)被广泛用于需要准确磁场测量的各种应用中。原子磁力计通过测量原子自旋对外部磁场的相干的进动频率来检测外部磁场(测量是在自旋被测量的含有原子元素的蒸气的一蒸气室上进行的)。传统上，有两种主要的原子磁力计用于实现原子自旋的相干进动：无线电-光学磁力计(应用一射频磁场激发原子磁偶极转换，从而产生相对于外部磁场方向的横向自旋分量)，以及全光学蒸气室磁力计(通常可与贝尔布鲁姆(Bell-Bloom)磁力计设置一起操作，使用通常为圆偏振的调制光(泵送)来激发原子磁偶极转换)。与无线电-光学磁力计相比，全光学(贝尔布鲁姆)磁力计不需要产生射频磁场，通常能够提供更准确/更灵敏的磁性测量，因为避免了额外射频磁场的干扰。

原子磁力计/传感器通常包括：一蒸气室(通常是一玻璃管)，内含一定的预定物质成分(通常包括一定数量的汽化类碱原子及缓冲气体)，一泵场(光场或电子/射频场)的一来源，所述泵场被施加到蒸气室中，将其中的汽化碱原子(或更普遍的碱原子)激发到一激发状态，以便它们在受到磁场影响时以拉莫尔(Larmor)进动频率进动。一检测组件通常包括一束被引导通过蒸气室的探测光束，以及一检测器(如光电检测器或偏振计)，用于检测探测光束通过蒸气室后的强度或偏振。对来自检测器的信号进行处理，以检测拉莫尔进动频率与汽化类碱原子的基态自旋偏振的比例，这指示了磁场的情况。更具体地说，确定环境磁场的振幅|B|是通过测量碱原子的原子自旋的拉莫尔进动(Larmor precession)w_L频率来完成的(根据关系|B|＝w_L/γ，其中γ为陀螺仪比率)。

应该注意的是，这里的类碱原子(Alkali-like atoms)是指出现在元素周期表第一栏中的任何一种碱金属原子及/或氦(即碱金属Li、Na、K、Rb、Cs及Fr，以及He)。换句话说，这里的“类碱原子”是指那些在外壳有一个电子的原子。

原子磁力计的一个例子在IL专利第224958号中披露，描述了一种磁场传感系统，包括至少一磁场传感器单元。每一个传感器单元包括一传感器室，其中包括有包括碱原子的一活性介质及一光学开关，并定义通过传感器单元的一光传播通道。光学开关相对于通过所述光传播通道的光传播方向位于所述传感器室的上游或下游，光学开关被配置且可操作以选择性地影响通过光传播通道的光，从而选择性地激活所述传感器室以提供来自传感器单元的输出光。

在另一个例子中，美国专利第10,739,416号披露一种气室、一磁场测量装置及生产所述气室的一方法。所述气室包括一室主体，具有由一内壁限定的一第一腔室，以及设置在所述内壁上的一第一石蜡膜，其中，在所述第一腔室中，储存有与电磁波相互作用的气体，第一石蜡膜是一纯石蜡膜，构成第一石蜡膜的一石蜡被布置成对齐分子轴的方向。

美国专利第7,929,586号披露一种电磁泵式碱金属蒸气室系统。所述系统包括一蒸气室及多个绕组。蒸气室包含碱金属及一缓冲器。所述多个绕组被安置在蒸气室周围，当交流信号施加到绕组上时，被配置成在蒸气室中产生电磁场。所述电磁场将未被激发的碱蒸气泵送到结合的D1及D2状态。

已转让给本申请受让人的PCT专利申请公开WO2012/038948披露一种大尺度、低成本的光学磁力计阵列，其基本原理是使用单一的光源，其功率可大于单独的独立光源，并使用平面光学元件将光引导到一传感器阵列的多个位置。

已转让给本申请受让人的美国专利第10,725,123号披露一种包括一个或多个磁传感器的梯度仪系统。梯度仪包括与磁传感器可连接的一致动模块，以改变一个或多个感应位置，从而感应到磁场。一个或多个感应位置是根据一定的位移函数变化的，所述函数显示了感应位置之间作为时间函数的预定位移。梯度仪系统的控制器适于通过执行以下内容来确定由传感器感应的磁场梯度的至少一个矢量分量：(i)从传感器获得读出数据，指示在一定的测量时间段内，在不同的感应位置感应到的磁场；(ii)处理读出数据以确定差分磁场时间曲线，指示在测量时间段内至少两个感应位置感应到的磁场之间的差异；以及(iii)根据位移函数解调差分磁场时间曲线，从而确定解调时间曲线，指示测量磁场梯度的至少一矢量分量。

发明内容

本领域需要一种新颖的、创造性的技术来改善基于蒸气室的磁力计(也称为原子磁力计)的灵敏度、准确性及稳健性。

为了通过磁力计提供高灵敏度的磁场测量(例如，在皮特斯拉(pico-tesla)的尺度)，优选的是将产生的磁场相对于测量灵敏度尺度来说是不可忽略的磁力计系统的任何电子元件尽可能地设置在离要测量外部/环境磁场的测量点较远的地方。对于基于蒸气室的磁力计，这样的电气元件可以包括例如产生探测光束的光源，可能还有泵浦光束，以及可能还有检测光束的检测器。

然而，应该注意的是，通常获得高灵敏度的磁场测量(具有改进的信噪比)需要探测光束在测量期间在蒸汽室的输入处具有预定/稳定的强度I₁及预定/稳定的偏振状态P₁，并能准确测量磁场B。有各种传统技术用于拉莫尔频率LF探测/检测，基于探测光束在蒸汽室出口的强度I₂或偏振状态P₂。这些技术很容易被熟悉本领域的人所理解，在此无需详细描述。为了澄清事先稳定设置探测光束进入蒸气室时的强度I₁及偏振状态P₁的必要性，特此讨论一探测过程的非限制性例子。例如，在探测过程中，蒸气室中的类碱原子被泵送至进动(例如，通过光学及/或电子/射频泵送)。进动的频率值是拉莫尔(Larmor)频率，它与原子附近的磁场大小相对应。在原子基态中，磁共振转换可以通过与拉莫尔频率相对应(同步)的共振调制频率的调制场来驱动，因此，当光学及/或电子/射频泵浦场被相应调制时，碱原子AA的群体被激发为相干的进动。更具体地说，当调制频率与拉莫尔频率相对应时，一定的类碱原子AA的集合/群体被激发而进动。因此，通常情况下，为了测量磁场B，需要提供一个泵场(如上所述，可以通过光学泵送或电子/射频泵送)，所述泵场以调制频率调制，在一定的调制频率范围内扫频/变频。在这种调制频率变化期间(例如，在泵场的各种调制频率下)，探测光束ProbLB被引导通过蒸气室，并在其存在蒸气室后被检测/测量，以测量其强度I₂或其偏振状态P₂。

探测光束与在拉莫尔频率下进行进动的碱/类碱原子的互动方式与不进行进动的碱原子不同。因此，沿着探测光束的通道，进动原子的数量/组合会影响其强度，从而导致探测光束在蒸汽室入口处的强度I₁及其输出处的强度I₂之间产生强度差/变化ΔI＝I₁-I₂。这个强度差/变化ΔI表示探测光束与之相互作用的进动碱原子的数量，这反过来又表示泵场是否以对应于拉莫尔频率的频率进行调制。

此外，由于进动的旋转性质，如果探测光束包括不同的圆偏振分量(例如左圆偏振及右圆偏振分量)，不同的圆偏振分量将与进动原子发生不同的相互作用，这将导致探测光束的左及右圆偏振分量在蒸汽室出口处的相对强度与它们在其输入处的相对强度不同。因此，在探测光束通过蒸气室时，进动原子的数量也会影响其偏振状态，从而导致探测光束在进入蒸气室时的偏振状态P₁与在其输出时的偏振状态P₂之间的差异/变化ΔP＝P₁-P₂。

因此，确定拉莫尔频率可以通过在一定范围内(例如，覆盖拉莫尔频率)扫描/改变泵场(光学泵或射频泵场)的调制频率来实现，同时监测在调制频率变化期间(例如，作为其函数)，探测光束的强度ΔI或偏振状态ΔP的变化，因为它通过蒸气室而受到影响。在沿调制频率变化的点(特定调制频率)上，调制频率与拉莫尔频率相匹配/相对应，沿探测光束路径的进动原子群有望达到一极值，因此，在所述点/特定调制频率上，探测光束的强度ΔI或偏振状态ΔP的变化有望达到一极值。

因此，拉莫尔频率以及磁场B的测量可以通过监测探测光束在蒸气室内通过时强度ΔI或偏振状态ΔP中至少一个的变化，取决于泵场调制频率来确定。这种变化达到极值的调制频率通常表示拉莫尔频率，从而表示要测量的磁场B(例如，其大小)。然而，这种测量的准确性取决于在蒸气室入口处的探测光束的强度I₁及偏振状态P₁的预定值(即稳定的)。这是因为探测光束在蒸气室中通过时的相互作用取决于探测光束的强度I₁(它与可能与原子群相互作用并被其吸收的光束数量相关联)，以及其偏振状态P₁(因为与进动原子的相互作用率取决于光的偏振，而且在左偏振及右偏振之间是不同的)。因此，在测量过程中(例如在调制频率扫描/变化过程中)，探测光束在蒸气室入口处的强度I₁或偏振P₁中的任何一个变化都会给磁场B的测量带来误差/不准确(因为这可能会影响强度变化ΔI或偏振状态变化ΔP相对于调制频率出现极值的位置)。

因此，为了获得准确的磁场测量，希望探测光束在蒸气室入口处的强度及偏振都保持固定/预定及稳定。此外，如上所述，希望将产生仪器磁场噪声的磁力计系统的电子元件放置在离蒸气室足够远的地方，以便它们在蒸气室的仪器磁场噪声相对于测量灵敏度尺度/精度来说可以忽略不计。在实践中，例如，当寻求皮特斯拉数量级的高测量精度/灵敏度时，这需要将产生探测光束的光源，以及可能的泵浦光束(如果使用光学泵浦)，放置在距离测量点，即蒸气室几米或更远的地方(距离至少大于一米)。

然而，传统技术在满足这两个要求方面存在缺陷。事实上，正如那些熟悉本领域的人所理解的，将光束从光源的远处输送到蒸气室，同时保持强度及偏振的稳定，在理论上是可能的(例如利用光束(例如激光)的自由传播来照射蒸气室)。然而，在实践中，这样的设置并不稳健，除非在实验室条件下进行，否则容易出现故障(例如，由于各种环境条件，如温度变化、传播路径上光学元件的机械振动及/或路径上的污染物)。同样，利用延伸到光源及蒸气室之间的偏振保持光纤(Polarization Maintaining optical Fibers,PMF)来输送光束也是不稳定的，不实用的，而且在非实验室条件下容易发生故障。事实上，尽管PMF在短距离内(例如，大约小于1米)提供良好的偏振维护，但在更大的距离内，通过它传输的相当一部分光的偏振被破坏，因此会妨碍测量的灵敏度(这可能是由各种环境条件引起的，例如机械应力/应变、温度变化，PMF光纤的正常功能容易受到影响)。事实上，即使考虑在PMF光纤的输出及蒸气室之间放置一偏振器，以确保合适及稳定的偏振被送入蒸气室，在这样的设置中，通过光纤的部分/非预定及不稳定的偏振破坏会导致偏振器输出的光强度不稳定，因此反过来也会导致磁力计的灵敏度降低。上述情况影响了传统技术的稳健性及/或灵敏度及准确性(例如，由于较长的光纤更容易受到所述环境条件的影响，而较短的光纤限制了将测量点(蒸气室)与系统的其他电子元件隔离的能力)。

本发明为传统技术中的上述问题提供了解决方案，因此有助于利用具有稳定(预定)强度及偏振的探测光束(可能还有泵浦光束)在蒸气室入口处进行高度准确的基于蒸气室的磁场测量，同时将产生大量磁场噪声的电子设备，如光源，置于远离测量磁场的蒸气室的位置。

因此，根据本发明的一广泛的方面，提供一种磁力计，用于测量附近的磁场B。所述磁力计包括：

-一蒸气室，包括原子蒸气；

-一光学处理器，用于接收一光束，并引导所述光束作为一探测光束，以一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁进入所述蒸气室，用于与所述蒸气室的所述原子蒸气中的类碱原子的至少一类型相互作用，以探测其进动的一拉莫尔频率；以及

-一检测器，用于检测与所述原子蒸气相互作用后的所述光束，以产生指示所述拉莫尔频率的多个信号/数据。

所述光学处理器包括一光学去偏振器及一偏振器，相对于所述光束的一传播方向，沿所述光束通过所述光学处理器的一传播路径分别依次地布置(例如，不必然连续)；其中，所述光学去偏振器适于对所述光束进行去偏振化，以产生一去偏振化光束。所述偏振器被布置成对所述去偏振化光束进行偏振，以产生所述光束的所述预定偏振状态P₁，从而形成所述探测光束，所述预定强度I₁是所述光束的一初始强度I₀的一预定部分α，并具有所述预定偏振状态P₁。

应该指出的是，在本发明的实施例中，蒸气室中包含的类碱原子可以包括任何类型的碱金属原子(例如Li、Na、K、Rb、Cs及Fr)及/或氦(He)。

在本发明的磁力计的一些实施例中，所述光学处理器适于输出所述光束，所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的所述预定部分α，I1＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀偏差一额定值的一不确定性，且其中所述光耦合器被配置及可操作，使得无论所述光束在进入所述光学处理器120时的一初始偏振状态P₀如何，偏差的所述不确定性不超过Δα≤10％，从而促进基于所述检测器捕获的所述光准确确定进动的所述拉莫尔频率。

在本发明的磁力计的一些实施例中，所述探测光束是一单色光束，其波长λ与所述类碱原子的一个或多个细结构吸收线相匹配。例如，所述一个或多个细结构吸收线包括类碱原子的一D1及D2线中的至少一者。例如，所述单色光束在小于所述类碱原子的所述细结构吸收线的两个相邻的超细结构转变之间的一最短间隔的一狭窄光谱线宽Δν上延伸，从而改善所述检测器捕获的指示所述拉莫尔进动的光的一信噪比(SNR)。

在本发明的磁力计的一些实施例中，光学处理器适于引导所述探测光束作为具有优选地不超过A≤80mm²的一狭窄横截面面积的一单色偏振光束传播到所述蒸气室，从而有效地产生具有一高通量密度F₁≥I₁/A≡(α±Δα)I₀/A的所述探测光束；所述高通量密度F₁从而促进所述探测光束与所述类碱原子的有效相互作用，从而改善由所述检测器检测指示进动的所述拉莫尔频率的光的一信噪比(SNR)。

在本发明的磁力计的一些实施例中，所述去偏振器包括一伪随机或随机的空间图案延迟器122.1，所述空间图案延迟器被配置且可操作，用于在所述光束的一横截面区域A内对不同横截面区域的所述偏振进行空间上的随机。例如，所述空间图案延迟器提供用以当偏振具有波长带在[λ±Δλ/2]范围内的一狭窄单色光束时，去偏振化所述光束到一偏振度(DoP)等于或小于DoP≤10％，其中Δλ是所述波长带的一半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米，且所述光束的一横截面面积A或一直径D中的至少一者分别不超过A≤19.6mm²或D≤5mm。所述空间图案延迟器可以，例如，包括一层液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer,LCP)。

需要指出的是，在本发明的磁力计的一些实施例中，所述偏振器的一偏振效应导致通过所述偏振器的所述光束的衰减一偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中所述偏振过滤因子Δα_pol中的一不确定性Δα_pol由所述去偏振器输出的所述光束的一偏振度(DOP)给出，Δα_pol＝DoP。因此，得到的光束的所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的一预定部分α，使得I₁＝(α±Δα)I₀≡(α_a/s±Δα_a/s)(α_pol±Δα_pol)I₀，其中α_a/s及Δα_a/s分别是所述光束的吸收及/或散射通过所述光学处理器的一吸收/散射衰减因子，且Δα_a/s是所述吸收/散射衰减因子α_a/s中的一可忽略的不确定性，Δα_a/s/α_a/s～0，因此相对于通过所述光学处理器的所述光束的所述初始强度I₀，所述光束的一定的所述预定强度I₁的一最大偏差Δα由I₁/I₀＝(α±Δα)≈α_a/s(α_pol±Δα_pol)给出，其中所述输出强度I₁相对于所述初始强度I₀的一最大偏差中的一不确定性实质上不超过从所述去偏振器输出的所述光束的所述偏振度(DOP)。

在本发明的一些实施例中，所述磁力计配置为与产生所述光束的一光源(例如一激光器)相距一距离d，其中d为一米或更多米d≥1m，从而减少所述光源的电子学产生的多个电磁场的多个影响导致影响所述磁力计的所述磁场B的测量。例如，所述磁力计与长度大于或等于所述一米或更多米的所述距离d的一光纤相关联，所述光纤延伸用于在所述光源及所述光耦合器的一光学输入之间传播所述光束到所述蒸气室(例如，到磁力计的光耦合器)。因此，所述光纤的长度一般大于或等于一或更多米的距离d≥1m。需要指出的是，所述光纤不需要在这个长度上保持光的偏振，因为光耦合器使所述光纤不需要被配置为或作为偏振保持光纤(PMF)发挥作用。在本发明的一些实施例中，所述光纤是一单模光纤(SingleMode Fiber,SMF)，从而提供所述光束，当离开所述光纤时，与相同长度的一多模光纤相比，具有一更均匀传播方向及/或一更均匀空间强度分布，从而改善由所述检测器检测的指示进动的所述拉莫尔频率的光的一信噪比(SNR)。

应该注意的是，所述光纤、所述光源或两者都可以被包括为所述磁力计的部分。在一些实施例中，所述光纤是所述光耦合器的部分，其将所述光源与所述蒸气室耦合。

在一些实施例中，本发明的磁力计被配置为一全光学磁力计。所述类碱原子的所述至少一类型被一泵浦光束激发，从而避免由所述类碱原子的电子泵浦/激发产生的多个电磁场的多个不利影响导致影响所述磁力计对所述磁场的测量。在这样的实施例中，例如，一单一的光束可以作为泵浦光束及探测光束，并且所述磁力计可以，例如，配置有一贝尔布鲁姆(Bell-Bloom)光学设置。可替换地，全光学实施例也可以用分别的泵浦光束及探测光束来实施。

在本发明的全光学磁力计实施例中，所述泵浦光束优选地是圆偏振，以改善所述泵浦光束对所述类碱原子的激发效率。在一些实施例中，所述泵浦光束在进入所述蒸气室之前被引导通过某个光学处理器，包括分别相对于所述泵浦光束的一传播方向依次地布置的一光学去偏振器及一偏振器。所述某个光学处理器是所述光学处理器或另一个光学处理器。

在一些实施例中，本发明的磁力计被配置并可操作用于利用一自由感应衰变(Free Induction Decay,FID)探测所述类碱原子的进动。

在本发明的磁力计的一些实施例中，所述泵浦光束的一频率、振幅或偏振中的至少一者以一调制频率进行调制。

在本发明磁力计的一些实施例中，所述检测器包括一光电检测器，能够检测所述探测光束在通过所述蒸气室后的一最终强度I₂；探测光束在蒸气室入口处的预定强度I₁与所述最终强度I₂之间的差异指示蒸气室中碱原子的所述类型的一拉莫尔进动频率。

在本发明的磁力计的各种实施例中，所述探测光束在蒸气室入口处的所述预定偏振状态P₁可以是一线性偏振、一圆形偏振或一椭圆偏振。优选地，在某些情况下，所述探测光束的所述预定偏振状态P₁为圆偏振，以改善所述探测光束与进动的碱原子的相互作用率。

在本发明磁力计的一些实施例中，所述检测器包括一偏振计，能够检测出指示探测光束在其预定初始偏振状态P₁及所述探测光束与所述蒸气室中的原子蒸气相互作用后的输出/最终偏振状态P₂之间的一偏振状态的一变化的数据；由此，所述探测光束的所述偏振状态的所述变化指示所述类碱原子的所述类型的一拉莫尔进动频率。例如，所述偏振器可以是一线性偏振器，从而在蒸气室的入口处提供所述预定线性偏振状态P₁，包括所述探测光束的左及右圆偏振光束分量。所述偏振计能够检测所述探测光束的所述左及右圆偏振光束分量与所述蒸气室中的所述类碱原子的相互作用之间的一差异，据此，所述差异指示其进动的拉莫尔频率。例如，所述偏振计可以包括一差分偏振计。

在本发明的一些实施例中，所述磁力计适于在一频率范围内扫描/改变泵浦光束的调制的频率，且所述检测器确定所述预定偏振状态P₁及所述输出偏振状态P₂之间的所述差异或所述预定强度I₁及所述最终强度I₂之间的一差异的一变化，取决于扫描的改变的频率范围内的所述调制的所述频率，所述磁力计然后通过取决于所述改变的调制频率，通过识别所述变化差值(强度之间或偏振之间)中的一极值点，来识别所述拉莫尔频率，所述拉莫尔频率指示要测量的磁场。

例如，在这样的实施例中，所述磁力计可以包括：

-一调制器，能够以所述范围内的调制频率调制所述光束，且输出一调制信号/数据，指示所述泵浦光束被调制的所述调制频率；

-一锁定模块，适于接收来自调制器的调制信号/数据，并可连接到所述检测器以接收其输出的检测信号/数据；据此，所述锁定模块被配置并可操作以根据所述调制信号/数据指示的调制频率过滤所述检测信号/数据，并由此确定由所述检测器在所述调制频率下检测的探测光束的所述最终强度I₂或所述输出偏振状态P₂的至少一者；以及

-一控制器，适于在所述频率范围内扫描/改变调制的频率。

所述控制器可适于在所述范围内的一个或多个调制频率的每个调制频率上进行以下操作：

操作所述调制器，以便用所述调制频率调制所述泵浦光束；

获得与所述泵浦光束的至少一个调制频率相对应的探测光束的最终强度I₂或所述输出偏振状态P₂；

确定探测光束的所述最终强度I₂或所述输出偏振状态P₂与所述预定强度I₁或所述预定偏振状态P₁之间的差异；

因此，所述控制器可以根据为一个或多个调制频率确定的差异，确定所述拉莫尔频率。

在本发明的磁力计的一些实施例中，所述检测器与一光学收集组件相关联，所述光学收集组件包括一个或多个光纤，适于在通过所述蒸气室后接收所述光束并将所述光束耦合到所述检测器，由此所述检测器从所述蒸气室移开。例如，磁力计可被配置为全光学磁力计，且所述检测器从所述蒸气室移开，使得来自位于所述蒸气室的所述检测器的仪器磁场噪声低于所述磁力计系统待获得的一指定磁场测量灵敏度。例如，检测器可以被移开至少1米的距离。为此，在一些实施例中，与检测器相关的一或多个光纤包括以下任何一种或多种光纤类型：偏振保持光纤、单模光纤或多模光纤。

根据本发明的另一广泛的方面，提供一种贝尔布鲁姆类型的磁力计，用于测量其附近的磁场B。所述磁力计包括：

-一蒸气室，包括原子蒸气；

-一光学处理器，用于接收光束并将所述光束引导为波长λ与原子蒸气中的类碱原子的至少一种类的吸收线相匹配的单色光束，用于与所述类碱原子的所述至少一种类相互作用，以作为泵浦光束及/或探测光束发挥作用；

-一检测器，用于检测与原子蒸气相互作用后的光束，以产生指示所述拉莫尔频率的信号/数据；及

-一控制器。

为了使光束发挥泵浦光束的作用，光束提供以调制频率调制的一通量F。所述调制可以是对泵浦光束的频率、强度或偏振中的至少一者的调制，这样，当调制频率与拉莫尔频率相匹配时，所述光通量在沿光束路径的所述原子群中激发磁转换，从而被至少部分吸收，同时导致所述原子群的原子磁矩根据要测量的磁场B以拉莫尔频率f_L＝γB进行进动。此外，为了使光束发挥探测光束的作用，光束以一定的预定强度I₁及一定的预定偏振状态P₁穿过并与碱原子群相互作用，并被检测器检测到，检测器检测的数据指示光束与原子群相互作用后的最终强度I₂及/或最终偏振状态P₂中的至少一者。控制器适于在所述频率范围内扫描/改变泵浦光束的调制频率，并获得由所述检测器在每个调制频率下检测到的探测光束的最终强度I₂或所述最终/输出偏振状态P₂，对于每个调制频率，测量以下至少一个差异：

-输出/最终强度I₂与所述预定强度I₁之间的强度差I₂-I₁，据此，所述强度差表示原子群在激发它们进动时对光束的吸收情况；

-所述输出/最终偏振状态P₂与所述预定偏振状态P₁之间的偏振差P₂-P₁，据此，所述偏振差指示所述光束与所述原子群在拉莫尔频率下进动的原子磁矩的相互作用，从而导致原子的偏振(自旋偏振)状态发生变化(例如，由于法拉第效应)；

控制器从而能够通过确定与磁场B成比例的拉莫尔频率作为所述至少一个差异为极值(例如最大)的调制频率，来确定指示所述磁场B的数据。

在一些实施例中，测量所述差值的信噪比通过以下配置得到改善：

a.产生所述光束的光源的电子元件从蒸气室中充分移位，从而使来自所述电子元件的磁场噪声在要被激发的原子附近减少；

b.所述光束有足够的通量，以改善所述泵浦的效率，并增加其中磁偶极转换被光束激发的原子的数量；

c.准确确定所述的某些预定强度I₁及所述的某些相应的预定偏振状态P₁，以便能够以足够的灵敏度确定所述的至少一个差异。

所述光学处理器包括一个光纤，用于连接所述光学处理器及光源，其中所述光源提供初始强度为I₀的光束，并与所述足够的位移保持距离，从而减少所述磁场噪声。考虑到光束的偏振状态由于光纤中的双折射(可由温度变化或/及光纤上的机械应力及/或制造缺陷引起)而容易在所述光纤长度上恶化，光学处理器还包括一光学组件，用于接收及光学处理从光纤输出的光束，以准确调整其特定的预定强度I₁及所述特定的预定偏振状态P₁，同时保持光束具有相对较小的截面A，以便进入蒸气室的光束至少具有所述足够的流量F₁＝I₁/A。所述光学组件包括一光学去偏振器及一偏振器，分别相对于所述光束的传播方向沿其在光学处理器的光学组件中的传播路径依次地布置。光学去偏振化器适于对光束进行扰动(例如，空间涂抹)及去偏振化，以便在α_a/s通过所述光学处理器的至少光纤时产生具有降低的偏振度DOP及具有预定的中间强度I’＝(α_a/s)I₀的去偏振化光束。偏振器被布置成对去偏振光束进行偏振，以产生光束的所述预定偏振状态P1，从而形成所述光束，其所述预定强度I₁是中间强度的预定部分I₁＝α_polI’＝α_pol(α_a/s)I₀＝(0.5*±0.5*DOP)(α_a/s)I₀其中，由所述去偏振化器提供的偏振度DOP对从所述光耦合器向所述蒸气室输出的光束强度I₁引入了不确定性Δα_pol。所述去偏振化器包括伪随机或随机空间图案延迟器，所述空间图案延迟器被配置并可操作，用于在单色光束的小截面区域A内对不同截面区域的偏振进行空间随机化，以产生具有小于DoP<10％的偏振度的所述中间光束，从而改善具有所述预定偏振状态P₁的单色光束进入蒸气室的预定强度I₁的准确性，并改善所述测量的信噪比。

根据本发明的另一广泛的方面，提供了一种光学处理器，被配置为接收具有一定初始强度I₀及未确定偏振P₀的光束作为输入，并处理所述光束以输出具有相对于所述初始强度I₀及一定预定偏振状态P₁的一定预定强度I₁的所述光束。所述光学处理器包括一光学去偏振器及一偏振器，分别相对于所述光束的传播方向，沿着光束通过光学处理器的传播路径依次地(例如，不必然连续)布置。光学去偏振化器适于对光束进行去偏振化以产生去偏振化的光束。偏振器被布置成对去偏振光束进行偏振，以产生所述预定的偏振状态P₁及所述光学处理器输出的光束的某些预定的相对强度I₁。

在光学处理器的一些实施例中，某些预定强度I₁是初始强度I₀的预定部分α，I₁＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀的额定值的偏差的不确定性。光耦合器120被配置并可操作，使得偏差的不确定性不超过：Δα≤10％，无论所述光束在进入所述光学处理器时的初始偏振状态P0如何。

在一些实施例中，由光学处理器处理的所述光束是一单色光束。可替换地，或者额外地，在一些实施例中，所述光束被指定为穿过所述去偏振器的一狭窄横截面面积A≤80mm²。

在一些实施例中，去偏振化器包括一伪随机或随机的空间图案延迟器，所述延迟器被配置并可用于对光束的横截面区域A内的不同横截面区域的偏振进行空间随机。例如，伪随机或随机的空间图案延迟器，可以包括至少40个各种延迟属性的区域的空间分布，随机或伪随机地布置在<＝1mm²的横截面积内。例如，空间图案延迟器可以包括一层液晶聚合物(LCP)。

空间图案延迟器可适于在对具有[λ±Δλ/2]范围内的波长带的窄单色光束进行去偏振化时，使光束的去偏振化程度等于或小于DOP≤10％，其中Δλ是波长带的半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米(Δf<500MHz)，并且光束的直径D不超过D≤10mm。

在所述光学处理器的一些实施例中，偏振器的偏振效应导致通过偏振器的光束衰减，偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中偏振过滤因子Δα_pol的不确定性由所述去偏振器输出的光束的偏振度(DOP)给出，Δα_pol＝DoP。

在一些实施例中，光学处理器被配置为全光学处理器，没有任何电气元件。可替换地，或者额外地，所述光学处理器可以包括一个或多个自适应光学元件。

根据本发明的另一广泛的方面，提供了一种对光束进行光学处理的方法，以获得相对于其初始强度I₀具有一定预定强度I₁及具有一定预定偏振状态P₁的光束。所述方法包括：

-提供具有一定初始强度I₀及未确定的偏振P₀的光束；

-对所述光束进行去偏振化处理，使所述光束具有一定的相对中间强度I_in及实质上不偏振的偏振状态；

-在所述去偏振化之后，对所述光束进行偏振以产生所述预定的偏振状态P₁及所述预定的相对强度I₁。

根据本发明这方面的方法可以被配置为全光学处理方法。

在一些实施例中，预定强度I₁是初始强度I₀的预定部分α，I1＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀的额定值的偏差的不确定性。为此，所述方法是可操作的，使偏差的不确定性不超过：Δα≤10％，而不考虑光束的初始偏振状态P₀。

在所述方法的一些实施例中，去偏振化是利用一伪随机或随机的空间图案延迟器进行的，所述延迟器被配置并可操作，用于在光束的横截面区域A内对不同横截面区域的偏振进行空间随机。

在一些实施例中，所述方法适于在所述光束为单色光束的情况下操作。另外，或额外地，所述方法可适合与所述光束一起操作，所述光束具有狭窄横截面积A≤80mm²。

在所述方法的一些实施例中，当对波长带在[λ±Δλ/2]范围内的窄单色光束进行去偏振化时，去偏振化产生的偏振度(DOP)等于或小于DOP≤10％，其中Δλ是波长带的半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米，(Δf<500MHz)，并且光束的直径D不超过D≤10mm。

在所述方法的一些实施例中，偏振影响光束的衰减，偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中偏振过滤因子Δα_pol的不确定性由所述去偏振后光束的偏振度(DOP)给出，Δα_pol＝DoP。

根据本发明的另一广泛的方面，提供了一种磁场测量的方法。所述方法包括：

-提供一光束，用于探测蒸气室，以确定其中原子蒸气的拉莫尔频率，其中所述光束来自与所述蒸气室相距甚远的远程光源(例如，距离至少1米)，并具有一定的预定初始强度I₀及未确定的初始偏振P₀；

-在与所述蒸气室相邻的位置(例如，位于离蒸气室远小于1米的距离)对所述光束进行光学处理，以产生相对于所述初始强度I₀具有一定预定强度I₁及一定预定偏振状态P₁的所述光束，方法是：

a.对所述光束进行去偏振化，以产生具有一定的中间强度I_in及实质上不偏振的偏振状态的所述光束；以及

b.在所述去偏振化之后，对所述光束进行偏振以产生所述预定的偏振状态P₁及所述预定的相对强度I₁；

-在所述光学处理之后，引导所述光束在蒸气室内通过，并与其中的原子蒸气相互作用，以探测其进动的拉莫尔频率；以及

-在与原子蒸气相互作用后，检测所述光束的最终偏振状态P₂及最终强度I₂中的至少一个，并利用所述最终偏振状态P₂及最终强度I₂中的至少一个来确定原子蒸气的拉莫尔进动频率。

在一些实施例中，光学处理是根据上述及下文更详细描述的光学处理方法进行的。

根据本发明的另一广泛的方面，提供了一种空间分布的磁力计阵列/网络。所述网络/阵列包括多个磁力计，用于测量其各自周边地区的磁场B。多个磁力计中的一个或多个磁力计的每个磁力计包括：

-磁力计的各蒸气室，其中包括原子蒸气；

-各自的光耦合器，用于在为磁力计提供各自光束的光源及磁力计的蒸气室之间进行光学耦合；

所述空间分布式磁力计网络/阵列包括：

-一参考数据提供者(例如，数据存储或网络通信模块或一个或多个传感器)，能够提供指示所述一个或多个磁力计的各自光耦合器的光衰减属性的数据；以及

-一个或多个强度调整模块，分别与所述一个或多个磁力计相关联，并分别能够调整磁力计各自的光束强度I₁，以便在磁力计的相应蒸气室110的入口处(例如，在相应光耦合器的输出处)，光束具有一预定的强度I₁；

-至少一个可连接到所述一个或多个强度调整模块的控制器，并被配置为可根据与之相关的磁力计的各光耦合器的光学衰减属性操作一个或多个强度调整模块，从而在蒸气室的入口处产生所述预定强度I₁。

与所述磁力计中各自的磁力计相关联的至少一个光耦合器包括一个根据本发明配置及可操作的光学处理器，如上所述及下文更详细地描述。所述光学处理器适于接收各磁力计的各自的光束，使其具有一定的初始强度I₀及未确定的偏振P₀，并处理所述光束以产生/输出具有一定的预定偏振状态P₁及相对于所述初始强度I₀的强度I₁的衰减因子α，I₁≈αI₀。

在一些实施例中，空间分布式磁力计网络/阵列的至少一些光耦合器170的各自光学衰减属性包括对光学处理器的衰减因子α的补偿。

可替换地或额外地，在光耦合器170包括各自的光学组件(例如，包括沿着从光源到各自的蒸气室的光传播路径的一个或多个光学组件)的一些实施例中，光耦合器的各自的光学衰减属性与光学组件的光学组件的光学衰减相关联(例如，至少用于补偿具有相对大量衰减的光学组件的衰减)。

例如，在一些实施例中，一个或多个光耦合器170的光学组件包括各自的光纤140，用于沿从至少一个光源到各自的蒸气室的至少一部分光传播路径传播各自的光束。因此，至少一些光耦合器170的光衰减属性可能与这些纤维的衰减属性相关，或分别包括这些纤维的衰减属性(例如，光衰减属性可能指示所述纤维的各自长度)。

在一些实施例中，空间分布式磁力计网络/阵列的强度调整模块各自被配置并可操作，用于调整一定的初始强度I₀及它们的输出强度I₁中的至少一个，以在各自的光束中获得所述预定强度I₁，在它们各自的蒸气室110的入口处。

空间分布式磁力计网络/阵列的控制器可以被配置并可操作，以操作强度调整模块，从而使光束的某些预定强度被调节到多个磁力计的某些类似预定强度I1。这样，多个磁力计就能获得磁场B测量值的准确可比性。

在一些实施例中，空间分布式磁力计网络中的一个或多个磁力计是全光学磁力计。例如，一个或多个磁力计可以被配置成并可操作为贝尔布鲁姆磁力计。可替换地，或额外地，例如，一个或多个磁力计可以是根据本发明配置及可操作的磁力计，如上文及下文更详细地描述。

具体来说，在一些实施例中，网络的所有磁力计可以是相同的磁力计，配置为以下至少一个配置：

a.全光学磁力计；

b.贝尔布鲁姆磁力计；

c.根据本发明配置及可操作的磁力计，如上所述，并在下文中更详细地描述。

附图说明

为了更好地理解本文所公开的主题，并举例说明如何在实践中进行，现在将参照附图，仅以非限制性例子的方式描述实施例，其中：

图1是示意性地说明根据本发明的一实施例的磁力计系统的方块图；

图2A及2B分别是根据本发明的一些实施例的磁力计系统中用作去偏振化器的随机/伪随机空间图案延迟器的正面及透视图；

图3是用随机/伪随机空间图案延迟器获得的去偏振化属性与用楔形去偏振化器获得的去偏振化属性之间的图形比较，这使得使用随机/伪随机空间图案延迟器在本发明的磁力计系统中作为去偏振化器特别有利；

图4是一方块图，示意性地说明了根据本发明的一个实施例配置的全光学磁力计系统；

图5是一方块图，示意性地说明了根据本发明的一个实施例配置的全光学磁力计系统，并具有贝尔布鲁姆配置；

图6A是示意性地说明根据本发明的一个实施例的光学处理器的方块图；

图6B是根据本发明的一个实施例的光学处理方法的流程图；以及

图7是示意性地说明根据本发明的一个实施例的空间分布式磁力计阵列/网络的方块图。

具体实施方式

现在参考图1，所述图示意性地说明了根据本发明的一个实施例，用于测量其附近的外部磁场B的磁力计系统100。

术语“外部磁场B”，在此也可互换地称为“磁场B”，在此用于表示将由磁力计系统100测量的磁场B，而不是由磁力计系统100可能产生的仪器磁场(是噪音)。

磁力计系统100包括一个包括原子蒸气AV的蒸气室110(VC)，一个位于蒸气室110附近(例如，通常距离不超过约20厘米)并与其光学耦合的光学处理器120。光学处理器120被配置并可操作，用于接收预定/稳定强度I₀及不一定稳定/预定偏振P的入射光束LB(I₀,P＝？)，并对所述光束进行光学处理以输出稳定/预定强度I₁及稳定/预定偏振P₁的光束LB(I₁,P₁)，从而使输出光束LB(I₁,P₁)适于作为探测蒸气室110的探测光束。此后，输出光束LB(I₁，P₁)被引导进入蒸气室110，并且磁力计系统100包括检测器130，用于在与蒸气室110中的原子蒸气AV相互作用后检测光束LB，并且响应于所述检测，生成指示原子蒸气AV中至少一种类碱原子AA的进动的拉莫尔频率LF的信号/数据。

一般来说，本领域普通技术人员很容易理解，各种已知技术中的任何一种，如光学泵送或电子泵送(例如，通过在蒸气室区域产生射频场)，都可以用来将类碱原子AA泵送到能量水平，在所述能量水平上，它们与在其附近要测量的磁场B相对应的拉莫尔频率LF前进。

通过利用从光学处理器120出来的光束LB中的至少一部分(在此称为探测光束ProbLB)，以光学方式探测进动的类碱原子AA的拉莫尔频率LF。在这方面需要注意的是，在利用光泵浦的一些实施例中(例如见图5)，由光学处理器120处理的光束LB除了光束LB的分量外，还可以包括另一部分/分量，即泵浦光束分量(通常泵浦光束分量的属性与探测光束ProbLB不同，例如不同的调制，因此泵浦光束分量的属性是不同的。例如，不同的调制方式，这样它或它的效果就能与探测光束ProbLB的效果区分开来，而且它不会干扰探测光束对拉莫尔频率LF的测量/探测)。在使用光学泵浦(例如见图4或图5)或电磁/射频泵浦的其他实施例中，由光学处理器120处理的光束LB可以只包括探测光束ProbLB部分。

如上所述，获得精确的磁场测量可能需要探测光束(即，光束LB或至少其探测光束分量ProbLB)在输入端具有预定/稳定的强度I₁及预定/稳定的偏振状态P₁蒸汽室110以实现改进的SNR并能够准确测量磁场B。例如，这是因为探测光束ProbLB的强度I₁及偏振状态P₁应在泵送场的调制频率扫描/变化期间，在到蒸气室110入口处保持稳定/固定。

如上所述，探测光束ProbLB与那些不进动的类碱原子AA的相互作用是不同的。因此，探测光束在蒸气室入口处的强度I₁及从蒸气室输出处的强度I₂之间的强度差/变化ΔI＝I1-I2，指示探测光束ProbLB在通过蒸气室的过程中与之相互作用的进动原子群。此外，由于进动的旋转性质，如果探测光束ProbLB包括不同的圆偏振分量(例如左圆偏振分量及右圆偏振分量)，其不同的圆偏振分量也将以不同的方式与进动的类碱原子相互作用，而不是与非进动的碱原子相互作用，在这种情况下。探测光束在进入蒸气室时的偏振状态P₁及从蒸气室输出时的偏振状态P₂之间的差异/变化ΔP＝P₁-P₂，将受到探测光束在通过蒸气室的路径上与之相互作用的进动原子群的影响。因此，探测光束在进入蒸气室时的偏振状态P₁及在其输出时的偏振状态P₂之间的偏振差/变化ΔP＝P₁-P₂，可以指示探测光束ProbLB与之相互作用的进动原子的数量。

因此，测量拉莫尔频率LF可以通过在调制频率范围内扫描/改变泵场(光泵或射频泵场)的调制频率来实现，并通过检测调制频率扫描/改变期间探测光束的强度变化ΔI或偏振状态变化ΔP来监测进动原子的数量。在强度或偏振状态发生变化的特定调制频率下，ΔI或ΔP为极值，这指示了拉莫尔频率(因为在所述调制频率下，泵场与拉莫尔频率呈共振状态，这种激磁共振使类碱原子发生转变，增加了进动原子的数量)。因此，为了确定拉莫尔频率，从而测量磁场B，应该测量探测光束的强度ΔI或偏振状态ΔP中至少一个的变化，取决于泵场(光泵或电子/射频)调制频率，这种变化达到极值的调制频率指示了拉莫尔频率。这反过来又指示了要测量的磁场B(例如，它的强度)。

因此，如上所述，磁场测量的准确性取决于在蒸气室110入口处的探测光束的强度I₁及偏振状态P₁的预定值(即稳定值)。强度I₁及探测光束的偏振状态P₁的稳定值，以便监测到的变化，无论是强度还是偏振状态，ΔI或ΔP，取决于泵浦的调制频率，可以归因于调制频率，而不是探测光束的强度及/或偏振状态，I₁及/或P₁，在蒸气室入口处的一些不稳定性。

因此，本发明的磁力计系统100的光学处理器120适于在其输入光口OIn接收稳定/预定强度I₀(稳定/预定至少达到一定精度+-10％)的光束LB(I₀,P＝？)，并从其输出光口OOut输出具有稳定/预定强度I₁(预定达到与输入强度相似的精度)及稳定/预定偏振P1的光束LB(I₁,P₁)。光学处理器120包括一个光学去偏振器122及一个偏振器126，分别相对于光束LB的传播方向，沿着光束通过光学处理器120的传播路径PP(即，从其输入及输出光口OIn及OOut)依次地布置(例如，不必然连续)。光学去偏振化器122适于对光束进行去偏振化，以产生具有某种中间强度的实质上去偏振化的光束LB(I_im，P＝No)(所述中间强度可以例如类似于输入强度I₀或被某种因素衰减，例如由于光学处理器120的元件而衰减。偏振器126被安排为偏振去偏振的光束LB(I_im，P＝No)，以在输出光端口OOut产生光束LB(I₁，P₁)的预定偏振状态P₁。因此，在输出光口OOut的光束LB(I₁，P₁)具有受偏振器126影响的预定偏振状态P₁，以及预定强度I₁是光束LB(I₀，P₀＝？)的初始强度I₀的预定部分α。一般来说，输出端的光束LB(I₁,P₁)的预定强度I₁大约是输入强度的一半，这是由于偏振器126过滤掉了大约一半的非偏振光LB(I_im,P＝No)(加上一些额外的通常相对较小的光束衰减，当光束传播通过光耦合器时也可能发生)。

为此，如上所述，为了发挥探测光束的作用，并能够测量进动的拉莫尔频率LF，从而准确地测量磁场B，通过与类碱原子AA相互作用而被引导进入及探测蒸气室110的光束LB应被设置为某种预定/稳定的强度I₁及某种预定/稳定的偏振状态P₁(例如，在调制过程中稳定)。例如，在泵场的调制频率被扫过/变过以及探测光束的强度或偏振的变化被监测为调制频率的函数期间保持稳定)。

如上所述，获得“外部”磁场B的准确测量的一个额外要求(除了在蒸气室入口处的探测光束LB具有稳定/预定的强度及偏振，I₁及P₁)，是由磁力计系统100本身产生的仪器磁场(噪声)将在蒸气室110附近消失，或至少可以忽略，强度低于磁场B测量所寻求的灵敏度δB。

为此，在一些实施例中，光学处理器120被配置为全光学处理器，不包括任何产生磁场的电气元件(即不产生工具性磁场噪声)。在这方面，通常情况下，光学处理器120可以只包括无源光学元件(即非电控)，如液晶元件、偏振器、相位延迟器、透镜(ES)去偏振器及光谱过滤器。然而，在一些实施例中，光学处理器120也可以包括自适应光学元件，如自适应光谱过滤器、偏振器或透镜，它们可以自适应地调整到所需的工作状态，而一旦调整到所需状态，就不会诱发仪器磁场噪声。或在测量外部磁场B时，仅诱发远低于可容忍的灵敏度δB的小的仪器磁场(例如，这种自适应光学元件可通过对其施加固定电压而设置为所需的状态，其中没有操作电流，因此不会产生任何仪器磁场噪声)。需要注意的是，这里的敏感度指的是测量的噪音底限(例如，通常在1赫兹)，或者换句话说，1赫兹的振幅磁场谱密度。

磁力计系统100中突出的仪器磁场噪声的来源，是产生光束LB的光源/锅150(例如，激光器或与其光学耦合的输出光口)，因此应与蒸气室110光学耦合。

因此，根据本发明的一些实施例，光源/端口150与蒸气室110的位移距离为d，以便它只影响可忽略的仪器磁场噪声，所述噪声低于蒸气室110的所需测量灵敏度δB。在磁力计系统100的实际实施中，为了获得准确的磁场测量，光源/端口150及蒸气室110之间的位移距离d是一米或多米的数量级(通常至少是几米)。这是因为对于适合产生光束LB的典型激光源，为了获得1Hz时不超过5pT/sqrt(Hz)的测量灵敏度δB，需要有一个或更大的位移。例如，对于目前的激光器，为了获得1Hz时1pT/sqrt(Hz)的测量灵敏度δB，估计需要大约至少3米的位移。

为此，本发明的磁力计系统100中使用的光学处理器120有利于光源的这种远程位移，同时在蒸气室入口处实现探测光束LB的稳定/预定的强度及偏振，I1及P1。尽管在这样的距离(一米或多米)上获得光源/端口150及蒸气室110之间合适的光耦合，同时保持耦合光的强度及偏振，这对于传统的光耦合器，如波导(单模或PMF或其他波导)或基于自由传播的耦合器来说是不实际的。事实上，正如那些熟悉本领域的人所理解的那样，在非实验室条件下，保持偏振的波导及/或自由传播耦合器可能只在有限的距离内保持偏振及/或强度，通常小于几米，并且容易受到环境条件的影响，在实践中，这些环境条件会阻碍它们保持强度及偏振的正常功能“(例如，特别是在非实验室”条件下，如典型的磁力调查发生的恶劣/“场”条件)。

因此，用于磁力计系统100的光学处理器120被配置并可操作，以克服上述障碍，并将光束LB从光源/端口150耦合到蒸气室110，在它们之间有足够的距离d(例如一或多米，以减少/消除光源/端口150的仪器噪声对磁场测量的影响)，同时促进被耦合到进入蒸气室110的光束LB的稳健而准确的预定强度及偏振，以便能够准确测量磁场B。

如图1所示，光学处理器120一般位于蒸气室110附近(其距离远小于它或蒸气室与光源/端口150之间的距离d)，并且可以通过直接光学耦合(例如，通过物理连接到光学窗口/端口OOut)从其输出端/端口与蒸气室110光学耦合。例如，通过物理连接到蒸气室壁上的光学窗口/区域，或通过短的自由传播路径到这种光学窗口/区域)，或通过短的偏振保持波导(未具体示出)，所述波导能够弥合光学处理器120及蒸气室110之间的短距离，同时保持光束LB(I₁,P₁)的偏振P₁及强度I₁。从光学处理器120传播到蒸气室110(如所述，从光学处理器120到蒸气室110的距离足够短，通常远小于1米，因此能够通过光学处理器120到蒸气室的直接光学耦合，或利用短的偏振保持波导/光纤来保持强度及偏振)。从其输入光口OIn，光学处理器120被耦合到光源/端口150，其距离为一米或多米，通常通过光纤/波导(例如，优选是单模波导，尽管在某些实施例中也可使用多模波导)，或通过光束LB从光源/端口150到光学处理器120的自由传播。应该注意的是，虽然(通过自由传播(例如，通过空气)将光束从光源/端口150耦合到光学处理器120一般可以在有限的距离内实现，即最多约3至5米。由于在所述系统的一些实施例中，希望在光源/端口150及光学处理器120之间隔开更大的距离的情况下实现稳健的操作，在这种实施例中，通过波导，优选是SMF的光学耦合可能是首选。

在这方面，应所述注意到，光源/端口150及光学处理器120的输入光端口OIn之间的光耦合在距离d上不必保留由光源150提供的光束LB的偏振P，或以任何预定的方式影响它，但也可以完全扰乱它的偏振，而不会实质性地损害本发明的磁力计系统100的磁场测量的准确性。另一方面，光学处理器120的输入光口OIn处的光束LB的强度I0应该是预先确定的/稳定的，其精度约为+-10％，因此它可以在光学处理器120的入口处测量。或者，通常由光源/端口150输出/产生的光束LB的强度I是已知/确定的(至少达到所需的10％的精度)，并且在从光源/端口150传播到光学处理器120的输入光端口OIn的过程中，光的衰减也是预定/稳定的(如例如，达到大约类似的精度)，因此，在输入光端口OIn的光束LB的强度I₀也是预定/稳定的。

因此，根据本发明的一些实施例，光学处理器120适于输出具有所述一定的预定/稳定强度I₁＝(α±Δα)I₀的光束LB(I₁，P₁)，其中Δα指定预定强度I₁偏离其额定值的不确定性(相对于初始强度I0)。优选地，光耦合器120被配置并可操作，使得所述偏差的不确定性不超过：Δα≤10％，而不考虑光束LB在进入所述光学处理器120时的初始偏振状态P₀(通常是未知的)。这有利于根据所述检测器130捕获的光准确地确定所述拉莫尔频率的进动LF。

一般来说，各种类型的去偏振化器可被用作光学处理器120的光学去偏振化器122。例如，可以使用楔形去偏振化器。

然而，在一些实施例中，光束LB(至少其探测光束分量ProbLB)优选是单色的，其波长适于与进动的类碱原子AA相互作用，以获得更好的信噪比并有利于准确测量。更具体地说，例如，为了获得足够高的信噪比及准确的磁场测量，测量灵敏度δB为几十皮科特斯拉/sqrt(Hz)，在1Hz或更好的情况下，探测光束LB(I₁,P₁)，它被引导到与蒸气室110中的碱原子AA相互作用。应基本上是单色的，其窄光谱线宽Δν应大大小于碱原子AA的细结构吸收线(D1或D2)的相邻超细结构转变之间的最短间隔(例如，由于吸收线而产生的)。例如，由于碱原子AA中的自旋-轨道相互作用而产生的吸收线)。例如，对于铯型碱原子，光谱线宽Δν小于1GHz(没有任何拓宽)。为此，在一些实施例中。单色探测光束LB通常被设定为仅在狭窄光谱线宽Δν上延伸，所述线宽例如可至少比类碱原子AA的细结构吸收线(D1或D2)的两个相邻超细结构转变之间的最短间隔小2-3倍(这种单色光束涵盖的波长范围[λ±Δλ/2]，其中Δν＝cΔλ/λ²，c是光速。

因此，光学处理器120适于引导探测光束LB(I₁，P₁)作为具有窄光谱线宽Δν以及预定强度及偏振状态I₁及P₁的单色及偏振光束传播到蒸气室110。

此外，为了达到足够高的信噪比，光束LB(至少是其探测光束部分ProbLB)优选也有相当窄的宽度/直径D，例如，平均横截面宽度/直径约为D<10毫米。这是为了使光束的腰部足够窄，以便与蒸气室壁保持距离，从而防止/减少探测光束ProbLB与蒸气室壁附近的非相干类碱原子AA的相互作用(以便保持与光束相互作用的碱原子AA的原子相干性)。在这方面需要注意的是，光束通常通过直径通常较小的D，例如小于D≤25毫米的光学窗口进入蒸气室110，因此需要一个约W<10毫米的小光束宽度D来使光束脱离墙体，在所述处碱原子的原子相干性被降低/破坏(例如由于与蒸气室壁的相互作用--这就是使用足够高压力的缓冲气体来限制它们的原因)。使用具有小宽度的探测光束LB(I₁,P₁)的另一个原因是探测光束LB(I₁,P₁)优选还具有足够高的通量密度F1，以促进探测光束LB(I₁,P₁)与蒸气室中的类碱原子AA的有效相互作用。因此，为了实现这一点，光学处理器120可以被配置为输出具有相对窄的横截面积A的探测光束LB(I₁，P₁)(例如通常横截面积A不超过A≤80mm²，即横截面宽度W<9mm)，从而产生具有足够高的通量密度F1≥I₁/A≡(α±Δα)I₀/A的探测光束LB(I₁，P₁)，以使其与碱原子AA有效地相互作用，从而改善检测的信噪比。

因此，为了准确的磁场测量，探测光束LB(I₁,P₁)应该实质上是单色的(例如，光谱线宽度Δν<<10GHz)及窄的(例如，横截面积A≤80mm²--即光束直径约W<9mm)。

为此，本发明的发明人指出，各种类型或去偏振化器可能不太适合用于纳入磁力计系统100的光学处理器120，因为它们在单色及/或窄光束上操作时可能无法提供足够低的偏振度。例如，在光学处理器120中使用楔形去偏振化器(如Cornu去偏振化器、石英-硅或石英楔形去偏振化器或任何其他基于使用双折射材料的楔形/棱镜的楔形去偏振化器)可能会限制磁力计100测量拉莫进动频率LF的准确性/灵敏度，从而限制所测磁场B的准确性。这是因为楔形去偏振化器在将光束去偏振化到一个小的偏振度时，只有在光束是宽频带(例如。具有几十GHz或更多的宽光谱线宽Δν)，或者当光斑的横截面非常宽时(例如，光束宽度至少为几十毫米)。其他类型的去偏振化器，如Cornu去偏振化器，也不适合去偏振化单色或准单色光束。时间可变的去偏振化器类型，如旋转半波板去偏振化器，或自适应去偏振化器，也可能不适合在光学处理器120中使用，因为它们在一段时间内提供不稳定的去偏振化，而且它们的操作可能与在蒸气室附近产生仪器磁场噪声的电子装置相关联。

图3中的图表G2举例说明了楔形去偏振化器与这种单色波长λ约为λ＝895nm的光束相互作用可获得的偏振度，取决于光束直径D。如图所示，对于任何直径小于10mm的光束，由这种去偏振化器获得的偏振度DoP相对较高，超过40％。这反过来意味着，在光学处理器120中利用这样的去偏振化器将在光学处理器120的输出端产生不稳定/不可预测的探测光束强度。这是因为通过偏振器的光束的偏振度非常高(高于40％)，所以被随后的偏振器过滤的强度未知，大约是相同的系数(40％)。因此，在这种情况下(要使用单色及窄直径的探测光束)，利用楔形去偏振器将不会产生具有稳定/预定强度I1的输出探测光束。

因此，在本发明的一些实施例中，去偏振化器122包括，或由伪随机或随机空间图案延迟器122.1构成，所述延迟器被配置并可操作，用于在光束的横截面区域A内对不同横截面区域的偏振进行空间随机。因此，发射到空间图案延迟器122.1的光束实质上是去偏振化的，因为其不同的截面经历了不同的偏振变化。

空间图案延迟器122.1可以包括，例如，一个图案化的波板，或多个不同相对延迟相位Γ(例如，半波、四分之一波等)的波板的布置，在空间上以随机或伪随机布置方式分布，从而使光束的横截面A中的不同截面区域在通过时经历不同的偏振变化。例如，空间图案延迟器122.1可以包括一层双折射材料，包括多个具有几个不同方向(例如，通常至少四个)的快慢轴的区域，或具有不同方向的快慢轴的双折射材料元件的空间布置。光学处理器120的空间图案延迟器122.1通常可以包括一个无源/静态模块，具有其快轴及慢轴方向的固定伪随机或随机空间图案。另外，或额外地，尽管不一定需要，光学处理器120也可以选择性地实施一个自适应空间图案延迟器122.1，包括其延迟相对相位Γ可以自适应控制的区域布置(在这种情况下，应该注意，当设置时，不同延迟相位的随机或伪随机布置的自适应设置不会引起任何工具性磁场噪音)。

为此，图2A及2B以不言自明的方式分别示意性地说明了随机/伪随机空间图案延迟器122.1的正视图及透视图，根据本发明的磁力计系统100的一些实施例，所述延迟器可包括在或可构成去偏振化器122。图2A显示了随机/伪随机空间图案延迟器122.1的正视图，其中在这些区域的不同缓释相位Γ的布置由不同的灰度色调表示(如图中左边的图例所描述)。图2A显示了随机/伪随机空间图案延迟器122.1的透视图，其中，根据本实施例所示，空间图案延迟器122.1包括一层液晶聚合物(LCP)，其预设图案被配置为产生不同延迟相Γ的区域的伪随机布置。

根据本发明的一些实施例，空间图案延迟器122.1被配置成这样：在其间传播的光束经历了大量的去偏振化，例如，去偏振化程度小于DOP≤10％，甚至光束的实质上单色分量，例如。g.具有几个GHz的光谱线宽Δν(Δν<10GHz)，在一些实施例中，具有1GHz或以下的光谱线宽Δν(Δν≤1GHz)，具有狭窄宽度D≤10mm(例如横截面积低于A≤80mm²)的光束也会发生实质性的去偏振化，其程度低于DOP≤10％。

图3中的图表G1举例说明了由空间图案延迟器122.1如图2A所示，对于单色光束可获得的偏振度，取决于光束直径D。如图所示，对于直径超过约2mm的情况，可获得高程度的去偏振化(DoP约为5％或以下)。因此，如图所示，与楔形去偏振化功能在图G2中说明的楔形去偏振化器相比，随机或伪随机空间图案延迟器122.1为窄幅单色光束提供了更好的偏振度，从而在纳入本发明的磁力计系统100时有利于高精度磁场测量。

例如，在一些实施例中，空间图案延迟器122.1被配置为提供将光束LB(至少其探测光束分量ProbLB)去偏振化到等于或小于DOP≤10％的偏振度，其中光束或其探测光束分量是单色的，其波长带在[λ±Δλ/2]范围内，其中Δλ，即波长带的半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米(相当于线宽约为Δν≤500MHz)，且其横截面积A或光束直径D不超过A≤19.6mm^2(例如，其直径宽度D不超过D≤5mm)。光束LB(或至少其探测光束分量ProbLB)的波长在本例中为λ＝895nm，所述波长适于探测碱原子AA的拉莫尔进动频率LF。

应该注意的是，一旦光束LB被去偏振器122去偏振，光学处理器120的偏振器126的偏振效应就会使通过偏振器的光束LB衰减，其偏振过滤系数为α_pol，其中α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中Δα_pol是偏振过滤因子的不确定性Δαpol，由关于由去偏振器122去偏振的光束中的偏振度给出：Δαpol＝DoP。这是因为未被去偏振器122偏振的光强度的一半被偏振器126过滤，而未被去偏振器122偏振的剩余偏振光(即DoP部分)，根据其偏振情况，可能被偏振器126过滤到一定程度也可能不被过滤。因此，从光学处理器120输出的光束LB的预定强度I₁是输入光束的初始强度I₀的预定部分α，具有不确定性±Δα，由此：

I₁＝(α±Δα)I₀≡(α_a/s±Δα_a/s)(α_pol±Δα_pol)I₀

其中α_a/s是代表通过光学处理器120的光束由于吸收/散射而产生的衰减的系数，这些吸收/散射不是由于由去偏振器122及偏振器126的组合所进行的偏振操作(例如由于不同的效应如光谱过滤、不透明及/或散射的吸收)，以及Δα_a/s是由光学处理器120的去偏振器122及偏振器126以外的光学元件的吸收/散射衰减的不确定性。除偏振器以外的组件的吸收/散射衰减系数α_a/s可以是光学处理器120的考虑的某个预先确定的已知常数特征(通常接近于统一的αa/s≈1，例如，除非在光学处理器120中包括显着吸收的光学组件，如光谱过滤器。吸收的不确定性Δα_a/s不是由于去偏振器122及偏振器126的组合所进行的偏振操作，通常可以忽略不计Δαa/s/αa/s～0，因为在大多数实施例中，除去偏振器122及偏振器126之外，光学处理器120的光学元件的光学吸收/散射系数通常是先验的、准确的。因此，为简单起见，输出光束LB的某些预定强度I₁相对于输入光束LB的初始强度I₀的最大偏差Δα由以下方式给出：

I₁/I₀＝(α±Δα)≈α_a/s(α_pol±Δα_pol)

其中α_a/s基本上为大约1。因此，光束LB的输出强度I1相对于初始强度I0的最大偏差的不确定性实质上不超过从所述去偏振化器输出的光束的偏振度(DoP)，因为Δα_pol＝DoP。因此，利用将空间图案延迟器122.1作为/加入到光学处理器120的去偏振化器122中，有利于高精度的磁场测量，因为其输出的偏振度非常低，甚至对于单色窄光束也是如此，因此可以准确地确定从光学处理器120输出的探测光束ProbLB的强度I₀(以及其偏振)，从而实现准确的磁场测量。

如上所述，由于光源/端口150可能是突出的仪器磁场噪声的来源，在一些实施例中，特别是在寻求磁场测量的高灵敏度的情况下，磁力计系统100被配置为：光源/端口150与蒸气室110(通过光学处理器120与之光学耦合)的位移距离为d。选择所述距离是为了使来自光源/端口150的仪器磁场噪声对蒸气室110的磁场测量的信噪比/灵敏度δB的影响可以忽略不计(或者，换句话说，蒸气室110的磁场噪声δB低于测量的所需灵敏度δB)。

为此，在本发明的一些实施例中，磁力计系统100被配置成使得：光源/端口150(例如产生光束的激光器LB)与蒸气室110的距离d至少为一米或多米d≥1米，以便其仪器磁场噪声不对测量产生实质性影响(即减少所述光源150的电子装置产生的电磁场的影响，使其不影响磁力计100对外部磁场B的测量)。通常，所述距离d大于一米，可以是几米或更多。在一些实施例中，磁力计系统100与一个光波导140(例如，一个光纤)相关联，或包括一个光波导140，所述光波导140被安排用于将光束LB从光源/端口150传播到蒸气室110。光波导/光纤140例如可以在光源/端口150及光学处理器120(例如其光输入OIn)之间延伸，其中光学处理器120的光输出OOut与蒸气室110相邻，可以光学耦合到蒸气室110，例如典型的直接光学耦合(或者，也可以通过图中未具体显示的另一种光纤/波导进行光学耦合，是一种长度大大短于1米的短偏振保持光纤，例如，不超过几米。例如，不超过几十厘米，这样的短偏振保持光纤不会对通过它的光的偏振产生实质性影响)。

应该注意的是，术语：光纤、光波导、纤维及波导在这里可以互换使用，一般来说，指定任何合适的光学结构(刚性或柔性)，能够沿着波导定义的一定光路引导光束/波，同时限制来自所述光路之外的光能传输。

应该注意的是，通常情况下，偏振维持光纤(PMFs)在其长度较大(例如，大于约一米或多米)时不能正常工作，其偏振维持属性在这样的长度下不能充分维持，因为它可能容易受到光纤沿其长度的机械变形及温度变化的影响。然而，光学处理器120避免了光纤140在其长度d(通常大于一米，在几米或更长的数量级)上被配置或作为偏振维持光纤发挥作用的需要。这是因为，如上所述，给定一个预定的初始强度I0及任意偏振的光束LB，所述光束LB离开光纤140并进入光学处理器120，光学处理器120被配置为将偏振及由此输出的光束的强度都调整为确定的值I₁及P₁。因此，光学处理器120避免了利用PMF光纤来引导来自光源150的光束以实现这一目标(而且，如上所述，实际上，传统的PMF光纤在超过1米的长度上不适合这一目的)。

在一些实施例中，优选是将光纤140配置为单模光纤/波导(SMF)。这在光束LB的属性方面提供了一些优势，它从光纤140出来，进入光学处理器120。

d.用单模光纤/波导(SMF)，从光纤140输出的光束LB具有相对均匀的传播方向(例如，较小的数值孔径(Numerical/Aperture))，例如，与多模光纤/波导(MMF)相比，因为SMF输出一条射线，而MMF则输出数条射线。

e.对于单模光纤/波导(SMF)，从光纤140输出的光束LB通常具有正态(高斯)空间强度分布，与例如多模光纤/波导(MMF)相比，它更均匀；例如，因为SMF输出一个中心点/模式，而MMF输出的是几个空间分布的模式/点；

f.用单模光纤/波导(SMF)，从光纤140输出的光束LB保持较窄的色度分布(例如，是更单色的)，因为与类似长度的可比MMF相比，SMF的色散影响更小；

至少这些优点使得在磁力计系统100的一些实施例中，使用SMF作为光纤140是可取的，因为它允许进入蒸气室的探测光束ProbLB更加单色，并且在其横截面上具有更高的通量及更均匀的强度分布，从而改善光束与沿其路径探测的类碱原子AA的相互作用，并减少噪声(例如，由于非相互作用的光而导致的)被检测器130感应到，从而改善了检测器130对指示进动的拉莫尔频率的光的检测的信噪比(SNR)。此外，本发明人所做的实验表明，当使用SMF作为光学处理器120的输入光纤/波导140时，可以获得磁力计系统100的改进性能(因为当SMF作为输入光纤140时，与例如使用可比的MMF光纤的情况相比，可以在光学处理器120的空间图案延迟器122.1的输出端获得较低的DoP)。如上所述，虽然在一些实施例中，光纤140可以配置为SMF光纤/波导，但它不需要在其长度d上是或作为偏振维持光纤(PMF)发挥作用。

应该注意的是，光纤140及/或光源150可以是磁力计系统100的一部分，也可以是磁力计系统100适于耦合的外部模块。在前一种情况下，例如，光纤140可以是光学处理器120的一部分，这样它就适于光学耦合到远程光源/端口150(在至少d的距离上)，以输出光束，所述光束具有预定强度I₁及预定偏振P₁(例如，适合探测蒸气室110)。

可选地，在一些实施例中，磁力计系统100包括强度调整模块320，所述模块能够调整光束LB的强度I₁，使得在光学处理器120的入口处具有一定的预设初始强度I₀(或者以其他方式使得在蒸气室110的入口处具有一定的预设强度I₁)。例如，强度调整模块320可以包括用于将光束LB的强度可调节地放大到所需程度的光学放大器及/或布置在光束LB的传播路径中用于将其可调节地衰减到所需程度的光学衰减器，及/或它可以包括可连接到光源/端口150以调节其输出强度的光源控制器。由于强度调整模块320通常包括电子元件，它通常位于远离蒸气室110的地方(例如，在光源端口150附近或距离约d>1米处或在光纤140之前)，以避免由此产生的仪器噪声对测量产生实质性影响。系统100还可以包括可与强度调整模块320连接的控制器160，并配置及可操作强度调整模块320，以将光束LB衰减或放大到可控制的程度，从而在蒸气室110的入口处产生光束LB的某些预定强度I1。为此，控制器160可以，例如，利用指示各光学处理器120及或光纤140及/或沿光束路径从光源/端口150的任何其他光学元件的光学衰减属性的数据/信号(以及可能指示从光源/端口150输出的强度的数据/信号)并根据这些光学衰减属性操作强度调整模块320以将光束衰减或放大到在各蒸气室110的入口的指定强度I₁。

如上所述，熟悉本领域的人很容易理解，在图1的例子中，类碱原子AA可以通过本领域各种已知技术中的任何一种，如光学泵送或电子(如射频)泵送，被泵送到它们与拉莫尔频率LF同步的能量水平。然而，在本发明的一些实施例中，在寻求特别敏感的磁场测量时，使用光学抽运比电子/射频抽运更可取。这是因为由电子/射频泵送产生的仪器磁场噪声可能会使允许的测量灵敏度恶化。事实上，在光学泵浦中，用于泵浦场的激光光源/端口也可能引入干扰测量灵敏度的仪器磁场噪声。为了解决这个问题，并促进高灵敏度的磁场测量，本发明提供了一种技术，将光学光源/端口150放置在远离蒸气室110的地方，以避免/减少其仪器磁场噪声对测量的干扰，同时仍然能够确定探头的光ProbLB进入蒸气室110单元的属性(强度及偏振)，以便进行测量。

图4及图5举例说明了本发明的磁力计系统100的两个实施例，其配置为全光学设置，其中类碱原子AA的抽运以及其拉莫尔频率的探测LF都是通过光学方式进行的。这就进一步降低了蒸气室110附近的磁场噪声，因为碱原子AA是由泵浦光束PumpLB激发/泵浦的，从而避免了电子泵浦/激发碱原子所产生的电磁场的不利影响(例如，由于原子蒸气附近的电磁源，或任何电线/线圈、激光驱动器、光电二极管电源等)影响所述磁力计的磁场测量。

应该理解的是，图4及图5的实施例中的磁力计系统100可以包括/包含上述与图1的磁力计系统100相关联的任何或全部基本特征、组件及功能，以及与图1的磁力计系统相关联的可选特征、组件及/或功能。因此，为了清楚起见，在图4及图5中也保留了与图1中相似/类似的附图标记，并用于指定类似的部件、特征及/或功能。应该理解的是，上述与图1的磁力计系统相关联的这些部件、特征及/或功能的描述，也适用于图4及图5的实施例(可能对这些图中的实施例进行适当的调整，熟悉本领域的人很容易理解)，并且，为了清晰及简洁，在图4及图5中不再重复。

图4是一方块图，说明根据其全光学实施例的本发明的磁力计系统100，其中泵浦光束PumpLB及探测光束ProbLB，被配置为独立的光束(例如，沿着到不同的光路传播到蒸气室)。如图所示，由于泵浦光束PumpLB的偏振及强度在进行测量时不需要特别知道/保持，因此它不需要一定要经过或被光学处理器处理，例如在进入蒸气室110之前对探测光束ProbLB进行处理的光学处理器120(相应地，与图5的实施例相比，实现了相对更节能的光抽运，因为如上所述，处理器120将由此处理的光束强度衰减到大约一半)。

图5是一方块图，说明本发明的磁力计系统100根据其全光学实施例配置及所谓的贝尔布鲁姆(Bell-Bloom)光学设置，其中单一的光束LB被配置为并用于泵送/激发类碱原子AA以及探测/检测其拉莫尔频率。因此，如图所示，单光束LB的探测及泵浦光束分量ProbLB+PumpLB由光学处理器120共同处理。

一起参考图4及图5所示的实施例，应该注意的是，泵浦光束PumpLB的源/端口154优选与蒸气室110隔开一米或多米的距离d，以防止/减少仪器磁场噪声对蒸气室110处的外部磁场B的测量造成干扰。同样，如上文关于探测光束ProbLB的描述，泵浦光束一般可被安排为从其源/端口154沿自由传播路径向蒸气室的位置传播。然而，在一些需要更稳健设置的实施例中，磁力计系统可以包括一个波导/光纤144，用于将泵浦光束PumpLB引导到蒸气室110的区域(在图5的Bell-Blum配置中。泵浦光束PumpLB的源头/端口154可以与探测光束ProbLB的源头/端口150相同，并且泵浦光束PumpLB及探测光束ProbLB通常可以被引导为通过同一波导140向光学处理器120传播)。

应该注意的是，在一些实施例中，磁力计系统可以被配置并可用于利用自由感应衰变(FID)来探测所述类碱原子的进动。在这样的实施例中，泵浦光束PumpLB不一定要被调制。

在一些实施例中，所述泵浦光束PumpLB的频率、振幅或偏振中的至少一个被调制在一个调制频率上。

在一些实施例中，泵浦光束PumpLB的属性与探测光束ProbLB的属性有些不同。可替换地，在一些实施例中，泵浦光束组件PumpLB及探测光束组件ProbLB实际上是由一个激光源实现的，并由一个光束实现，从而具有相同的属性。

为此，在磁力计系统100的一些实施例中，泵浦光束PumpLB被调制。例如，所述调制可以是频率调制(FM)及/或振幅调制(AM)及/或偏振/偏振调制(PM)及/或本领域普通技术人员认为合适的任何其他合适的调制。可以理解的是，在实施例中，例如在泵浦光束功能部件及探针功能部件通过单一光束实现的贝尔布鲁姆设置中，两个部件都是类似的调制方式。例如，磁力计系统100可以包括一个调制器154.M，所述调制器被配置为将调制应用于泵浦光束PumpLB(可能还包括探测光束/组件ProbeLB)。

为此，在一些实施例中，磁力计100可以被调整为通过执行以下内容来测量磁场B：

(i)对泵浦光束PumpLB进行调制(例如，利用调制器154.M)。例如，泵浦光束可以在某一调制频率下进行振幅(AM)、频率(FM)及/或偏振(PM)调制，当其与拉莫尔频率相近时，激发碱原子的状态；

(ii)在一定的频率范围内通过多个调制频率进行扫频/变频(例如，通过控制/调整调制器的154.M操作)；

(iii)测量探测光束ProbLB的最终强度I₂及/或最终偏振状态P₂，这是在泵浦光束PumpLB被多个调制频率中的不同调制频率调制时获得的，所述调制频率被扫过/验证。最终强度I₂及/或最终偏振状态P₂是在探测光束ProbLB与碱原子AA相互作用后，例如在其激发蒸气室110后测量的。测量可以通过利用检测器130进行，例如通过能够测量光强度的光电检测器132或通过能够测量偏振状态的偏振计进行；

(iv)确定预定强度I₁及最终强度I₂之间的差值ΔI，或确定预定偏振状态P₁及输出偏振状态P₂之间的差值ΔP，取决于多个调制频率，调制在这些频率上被扫过/验证过。例如，每一个所述多个调制频率的调制频率，控制器/计算机160确定/计算变化ΔI或ΔP；

(v)然后，确定拉莫尔频率LF，所述频率根据调制频率指示测量的磁场B，使差异ΔI或ΔP达到一个极值点。例如，根据调制频率，其中探针束ProbLB的强度ΔI或偏振ΔP的差异/变化最大或最小(例如，取决于磁力计系统100的配置)。

因此，根据本发明的一些实施例，磁力计系统100可以包括一个控制器160，所述控制器被配置并可操作，用于操作系统100以执行上述操作(i)至(v)，以测量磁场B。

应当理解，本文中可互换使用的术语控制器或控制系统可指模拟及/或数字电路，及/或可在数字处理器上实现的计算机可准确代码，或其组合，其被配置并可操作以执行其被设计的控制功能。控制器可包括或与之相关的输入端，用于接收与其操作相关联的输入数据/信号，以及驱动端或输出端，用于输出数据或信号，这些数据或信号来自于控制器的操作，并被提供给由控制器控制的系统/模块，以控制其相应的操作。本领域的普通技术人员将很容易理解如何使用各种已知技术中的任何一种来实现具有本申请所述配置的控制器。

磁力计系统100可以可选地包括一个调制器154.M，能够在适合确定拉莫尔频率LF的某个调制频率范围内对泵浦光束PumpLB进行调制。适用于检测某些量级的磁场的调制频率范围，对于熟悉本领域的技术人员来说，一般是已知的。例如：对于测量幅度为15μT-100μT的磁场B，当使用铯原子时，调制频率范围可以是52.5kHz-350kHz，或者在另一个例子中，当使用铷原子时，可以在105kHz-700kHz的范围内。例如，控制器160可以向调制器154.M提供信号/数据ModSig，指示它在每个时间对光束进行调制的调制频率。在这个例子中，磁力计系统100还可以包括适于连接的锁定模块130.M，以接收来自检测器130的检测信号/数据DetSig，并配置及可操作地根据由调制信号/数据ModSig指示的调制频率过滤检测信号/数据DetSig，并由此确定获得指示由检测器130在各自调制频率下检测的探测光束ProbLB的最终强度I₂或输出偏振状态P₂中至少一个的过滤信号/数据FltSig。

如上所述，在一些实施例中，控制器160适于在频率范围内扫频/改变调制频率，并在所述范围内的一个或多个调制频率的每个调制频率下执行以下内容：

a.操作调制器154.M，用调制频率调制泵浦光束PumpLB；

b.获得与泵浦光束PumpLB的各自调制频率相对应的探测光束ProbLB的最终强度I₂或输出偏振状态P₂；

c.确定探测光束ProbLB的最终强度I₂与预定初始强度I₁之间或最终偏振状态P₂与预定初始偏振状态P₁之间每一个多个调制频率的差值ΔI或ΔP；

d.根据为所述一个或多个调制频率确定的所述差异、ΔI或ΔP，确定/计算拉莫尔频率LF。

应该注意的是，通常，在如图5所示的实施例中，在泵浦光束PumpLB及探测光束ProbLB都使用单光束LB的情况下，通常单光束LB的泵浦光束PumpLB及探测光束ProbLB分量(例如，来自单一源)都被调制。然后，在探测路径上，探测光束分量的调制被过滤，例如被锁定放大器过滤，以获得指示测量的拉莫尔频率的探测信号。

在如图4所示的实施例中，有独立的光束，泵浦光束ProbLB及探测光束ProbLB，泵浦光束PumpLB通常被调制(其振幅、频率及/或偏振)，而探测光束ProbLB不一定被调制。

在一些可以进行这种配置的实施例中，泵浦光束PumpLB优选是圆偏振的，以改善泵浦光束PumpLB对碱原子的激发效率。

可选地，在一些实施例中，在进入蒸气室110之前，泵浦光束PumpLB被引导通过某个光学处理器120'，所述光学处理器被配置并可操作，用于向蒸气室100输出具有或确定/稳定强度及偏振的泵浦光束PumpLB。某些光学处理器120'的配置可以类似于光学处理器120的配置，它可以包括分别相对于所述泵浦光束PumpLB的传播方向依次地布置的光学去偏振器及偏振器(注意，光学处理器120'的去偏振器及偏振器的类型可以选择性地与光学处理器120的不同。可用于泵浦光束PumpLB的特定光学处理器120'可以与用于探测光束ProbLB的光学处理器120相同，如图5所示，其中泵浦光束PumpLB及探测光束ProbLB沿共同的光路定向，并可被视为同一光束的组成部分。另外，在泵浦光束PumpLB上操作的某个光学处理器120'可以与在探测光束ProbLB上操作的光学处理器120分开/不同，如图4中可选所示。

上述测量磁场B的方法是参照本发明的磁力计系统100的全光学实施例来举例说明的，其中使用了光泵浦，如图4及5所示。在这方面，应该理解的是，本发明并不局限于这种特定的测量方法，本领域的普通技术人员将很容易理解其他的测量方法，这些方法可以利用本发明的磁力计100的各种实施例(全光学或电子/射频泵)来测量磁场。

现在一起参考图1、4及5，如上所述，磁场的测量可以基于测量探测光束与蒸气室110中的类碱原子AA相互作用后的最终强度I₂或最终偏振状态P₂。

在使用强度测量的实施例中，检测器130通常包括一个光电检测器132，能够检测探测光束ProbLB通过蒸气室110后的最终强度I₂。碱原子AA的拉莫尔进动频率LF，以及由此产生的磁场B，是根据预定强度I₁及探测光束ProbLB的最终强度I₂之间的测量差值来确定的。应所述注意的是，在这样的实施例中，在使用基于强度的测量时，探测光束ProbLB的偏振状态P₁可以是线性、圆形或椭圆形。优选的是，探测光束ProbLB的偏振状态P₁为圆形偏振，以由此改善所述探测光束ProbLB与进动的碱原子的相互作用率。

在使用偏振测量的实施例中，检测器130通常包括一个偏振计134，能够检测/获得探测光束ProbLB与蒸气室110中的碱原子AA相互作用后的最终偏振状态P₂的数据/信号(或最终及初始偏振状态P₂与P₁之间的差异ΔP)。需要指出的是，这里的术语“偏振计”一般用于指定任何合适类型的偏振检测器，例如常规偏振计或差分偏振计。

为此，在一些实施例中，光学处理器120的偏振器126是一个线性偏振器，提供预定的偏振状态P₁是线性的，包括探测光束ProbLB的左及右圆偏振光束分量。因此，偏振计134能够检测探测光束的左及右圆偏振光束分量与蒸气室110中的碱原子AA的相互作用之间的差异，所述差异指示碱原子AA的群体随拉莫尔频率的变化而进动。

如上所述，检测器130也应与蒸气室110光学耦合，它可能是仪器磁场噪声的另一个来源(其程度可能比光源/端口(如150、154)产生的噪声要低)。然而，在检测器130及蒸气室110之间引入足以使检测器130的仪器磁场噪声在蒸气室110处可忽略不计的位移，问题不大(与光源150的位移相比)，因为各种测量方案可能只需要在光束传播通过蒸气室110后保留并由检测器130检测其强度I₂及偏振P₂之一的信息。这有利于蒸气室110及检测器130之间从远处进行光学耦合。

事实上，在一些实施例中，检测器130包括光电检测器132，并且通过测量探测光束ProbLB在通过蒸气室110后的强度I2来测量磁场，一个或多个光纤(例如一个光纤)可用于将蒸气室110与光电检测器132在1米或更远的距离上耦合，甚至是几米或更远，同时有力地保存探测光束ProbLB从蒸气室110输出后的强度I₂的信息。

可替换地或额外地，在检测器130包括偏振计134，并且通过测量探测光束ProbLB通过蒸气室110后的偏振状态P₂来测量磁场的实施例中。至少一个偏振保持光纤可用于在1米左右的距离上将蒸气室110与光电检测器132耦合起来(同时独立携带光束的至少两个偏振分量)，或者至少两个光纤，它们不一定是PMF，可以安排在比1米更远的距离上分别携带探测光束ProbLB的两个偏振分量到偏振计134。例如在后一种情况下，可以在蒸气室及两个光纤之间安排一个偏振分光器(例如沃拉斯顿棱镜)，用于将探测光束ProbLB的两个偏振分量分开，通过两根光纤传播到检测器或不同的平衡光电检测器130。因此，利用上述配置之一，探测光束ProbLB可以在一米或更远的距离上耦合到检测器130，同时稳健地保留探测光束ProbLB从蒸气室110输出后的偏振P₂的信息。

因此，根据本发明的一些实施例，磁力计被配置为全光学磁力计，并且检测器与蒸气室的位移距离被配置为，在所述蒸气室处，来自检测器130的仪器磁场噪声低于磁力计系统100要获得的指定磁场测量精度/灵敏度。例如，检测器130可以从蒸气室110移开，移开的距离(图中没有具体显示)至少为一个或多个分米，甚至更高，即在一个或多个米的距离。

磁力计系统100可以包括一个光学收集组件142，包括例如一个或多个光纤/导向器，这些光纤/导向器适于在光束LB通过蒸气室110后接收它并将其与检测器130光学耦合。光学收集组件142包括例如一个或多个光学纤维/导引。光学收集组件142可以包括例如：

a.当使用强度测量时，一个(或多个)光纤(不一定是PMF)；

b.当使用偏振测量时，一个(或多个)PMF光纤或两个或多个不一定是PMF的光纤。

这有利于将磁力计配置成一个完全的全光学磁力计，在蒸气室110附近没有任何电气元件(至少没有产生仪器磁场噪声的元件)。

这在磁场B是基于光束LB的强度I₂测量的实施例中可能特别实用(即，检测器130是光电检测器)，并且可能不需要在探测光束LB与蒸气室110相互作用后保留其最终偏振P₂。在这方面，基于强度的测量(即检测器130是光电检测器132)在测量小磁场B的能力方面可能比基于偏振的测量有利，因为它允许检测器与蒸气室的距离相对较大，从而实际上避免了检测器132的仪器磁场噪声。

现在参考图6A及6B，分别以方块图及流程图示意性地说明根据本发明的一个实施例的光学处理器120及用于光束LB的光学处理方法200。

光学处理器120被配置为接收具有一定初始强度I₀及未确定偏振P₀的光束LB作为输入，并处理所述光束LB以输出相对于所述初始强度I₀及一定预定偏振状态P₁具有一定输出强度I₁的光束LB。光学处理器120包括一光学去偏振器122及一偏振器126，分别相对于光束LB的传播方向，沿其通过光学处理器120的传播路径PP依次地布置(例如，不必然连续)。去偏振化器122适于使光束LB去偏振化，以产生去偏振化的光束。偏振器126被安排用于随后偏振去偏振光束，以产生预定的偏振状态P₁及从光学处理器120输出的光束LB的相对强度I₁。

通常，一定的相对输出强度I₁是初始强度I₀的预定部分α，I₁＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定输出强度I₁相对于初始强度I₀的额定值的偏差的不确定性。在一些实施例中，光学处理器120被配置并可操作，使得无论光束LB在进入光学处理器120时的初始偏振状态P0如何，偏差的不确定性不超过Δα≤10％。

在一些实施例中，去偏振化器122包括一伪随机或随机的空间图案延迟器122.1，所述空间图案延迟器被配置并可操作，用于在光束的横截面区域A内对不同横截面区域的偏振进行空间随机。例如，这有利于处理后的光束LB是实质上单色的光束，例如，光束可以有一个波长带Δλ，其半最大值全宽为几百飞米或甚至更少，即，在某些情况下，波长带Δλ不超过几个飞米(例如，Δλ≤1.33飞米)。

伪随机或随机的空间图案延迟器122.1可以包括具有各种延迟属性的几十个或更多区域的空间分布(优选是几百或几千个区域)，随机或伪随机地布置在去偏振化器122的横截面积上，光束LB被指定通过。在一些实施例中，光束LB被指定通过去偏振化器122的狭窄横截面积A≤80mm²或更小，例如在几个mm²或甚至小于1mm²的数量级(例如，使用3mm²的狭窄横截面积A的光束LB被发明人成功实验，所述实验结果提供指示，本发明的技术可以用更窄的横截面积A的光束操作，例如0.3mm²)。

为此，在一些实施例中，空间图案延迟器122.1提供用以当对波长带在[λ±Δλ/2]范围内的狭窄单色光束进行去偏振化时，光束的去偏振化程度(DoP)等于或小于DoP≤10％，其中Δλ是波长带的半最大值全宽，在一个或多个飞米数量级，光束的直径D在几个毫米数量级。

空间图案延迟器122.1例如可以包括一层液晶聚合物(LCP)，具有数十或更多的各种延迟属性的区域的空间分布(优选是数百或数千个区域)，随机或伪随机地布置在去偏振化器122的横截面上。

如上文参照图1的讨论所示，所述偏振器的偏振效应导致通过偏振器的光束衰减，其偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中偏振过滤因子Δαpol的不确定性由所述去偏振器输出的光束的偏振度(DOP)给出。输出强度I₁是初始强度I₀的预定部分α，使得I₁＝(α±Δα)I₀≡(αa/s±Δαa/s)(αpol±Δαpol)I₀其中α_a/s及Δα_a/s分别是通过光学处理器120的光束吸收/散射衰减系数(Δα_a/s通常可忽略。所以光束的输出强度I₁相对于光束通过光学处理器的初始强度I₀的最大偏差Δα，由I₁/I₀＝α_a/s(α_pol±Δα_pol)给出。

可选地，在一些实施例中，光学处理器120包括强度调整模块320，能够调整光束LB的强度，使输出强度I₁被设置为指定值。例如，强度调整模块320可以包括用于将光束LB的强度可调节地放大到所需程度的光学放大器，及/或布置在光束LB的传播路径中用于将其可调节地衰减到所需程度的光学衰减器，及/或它可以包括适于调节光源强度的光源控制器。为此，光学处理器120可以包括一个控制器(图中未具体示出)，所述控制器被配置并可操作以操作强度调整模块320，以按可控制的程度衰减或放大光束LB，以产生其指定的输出强度I₁。

可选地，光学处理器120可以包括沿着光束LB的光路的附加光学元件，例如透镜、过滤器衍射元件或其他光学元件，这些元件可能是光学处理器120可能被用于的光学处理目的所需要的。在一些实施例中，这种额外的光学元件中的一个或多个也可以是适应性光学元件，其对光束的光学效果是可控制/可调整的。例如，一个这样的适应性光学元件可以是上面描述的可选的强度调整模块/工具320。

在一些实施例中，光学处理器120可以被配置为一个没有电子元件的全光学处理器。可替换地，或者额外地，在一些实施例中，光学处理器120可以被配置为一个伪全光学处理器，即它不包括光束离开光学处理器120的输出端口OOut附近的电控部件。在后一种情况下，电子控制的适应性光学元件(如可选的强度调整模块320)，如果有的话，被包括在光学处理器120中，并且优选是位于离输出端口OOut较远的地方，例如，一个或多个米的距离。

参照图6B，以不言自明的方式图示了可由光学处理器120实现的光束LB的光学处理方法200。所述方法包括以下操作：

210：提供具有一定初始强度I₀及未确定的偏振P₀的光束LB。可选地，212-如上所述，光束LB可以是实质上单色的。可选地，如上所述，214-光束LB可以有一个狭窄特征横截面积A(狭窄特征直径D)。

230：对光束LB进行去偏振化，以得到相对于初始强度I₀及未偏振的偏振状态而言具有一定中间强度I_in的光束LB。可选地，如上所述，232-去偏振化可以通过利用随机空间图案延迟器122.1来进行，用于在光束的横截面区域A内对多个不同横截面区域的偏振进行空间随机化。这有利于对单色的、具有狭窄宽度的或两者都有的光束进行去偏振化，达到高度的去偏振化(例如，DOP低于10％或甚至低于5％)。

250：在去偏振化230之后，在输出端将光束LB偏振到指定的预定偏振状态P₁。相应地，在270：产生具有相对于所述初始强度I₀及所需的预定偏振状态P₁的一定预定强度I₁的光束LB。

290(可选)：所述方法可任选地包括根据在输出处所需的指定强度I₁及根据强度衰减来调整光束LB的初始强度I₀，所述强度衰减在处理期间(例如通过操作230及250)对光束LB产生影响。这将在输出端产生具有指定强度I₁及指定预定偏振状态P₁的光束LB。

所述方法200的其他变化，或可纳入所述方法200的额外的可选操作，将由熟悉所述技术的人容易理解，及/或可根据上述关于光学处理器120的详细描述容易理解。

在某些情况下，特别是在需要对某一区域/轴x上的磁场B进行空间映射，B(x)，或确定磁场B的梯度或梯度映射/>的情况下，需要在所述区域/轴x的若干点/位置对磁场B进行多个磁场测量，特别是在需要磁场B的空间映射具有高准确度/灵敏度(例如。灵敏度δB在1Hz时为几皮特斯拉或更好)，基于蒸气室的磁力计，如上面参考图1、4及5讨论的那些，可以在区域x的不同位置使用。在不同位置的多个测量需要相对准确及敏感(即相对于彼此准确)，以准确提供这种映射。在一些实施例中，这可以通过利用根据本发明配置的敏感的蒸气室磁力计来实现，例如图1所示，优选是利用全光学磁力计，如图4及5所示，因为它们提供更高的信噪比(SNR)。事实上，当涉及到单一的测量(例如，在单一地点)时，在输入到蒸气室110的探测光束ProbLB的强度I₁的轻微变化对测量的准确性/灵敏度没有重大影响。然而，当考虑由多个磁力计100在所述区域x上进行多次测量以绘制所述区域x的磁场B时，输入蒸气室110及磁力计100的探测光束ProbLB在不同位置的强度I₁的轻微变化可能导致不同磁力计100的测量的相对精度差，从而损害绘制所述区域x的磁场B的集体灵敏度。

为此，现在参考图7，其中示意性地说明了根据本发明的一个实施例的空间分布式磁力计阵列/网络300。空间分布式磁力计阵列/网络300包括多个磁力计{100.i}，用于测量一个区域x中的磁场B(在磁力计的各自附近)。在这个非限制性的例子中，以三个磁力计{100.1，100.2及100.i}为例进行说明。然而，应该清楚的是，任何数量的磁力计都可以被包括在网络/阵列300中。要进行所述映射的区域x可以是一维、二维或三维，网络的磁力计{100.i}可以相应地安排。

如图所示，所述多个磁力计中的一个或多个磁力计{100.i}的每个磁力计至少包括以下部件：

a.磁力计100.i的各自的蒸气室110，它包含原子蒸气AV；

b.磁力计100.i的各自的光耦合器170，用于在为磁力计100.i提供各自的光束LB.i(例如，探测光束或探测+泵浦光束)的光源150及所述磁力计100.i的蒸气室110之间进行光学耦合；

所述空间分布网络/阵列300包括：

c.参考数据提供者310(例如，数据存储或网络通信模块或一个或多个传感器)，其能够提供指示一个或多个磁力计{100.i}的各自光耦合器170的光学衰减属性的数据。例如，可以存储指示各自的光学耦合器170的衰减属性的预定数据，并且可以使用数据存储(远程或本地)，或任何合适的传感器/或感觉通道来确定所述衰减属性；

d.一个或多个强度调整模块{320.i}，能够调整磁力计{100.i}各自的光束LB.i的强度I₁，以便在磁力计的相应汽化单元110的入口处(例如，在相应的光耦合器170的输出处)，光束LB.i具有某些预定的强度I₁。例如，强度调整模块{320.i}可以包括布置在不同磁力计的各自光束{LB.i}的传播路径中的光放大器及/或光衰减器，其能够通过可调的放大/衰减程度LB放大或衰减光束的强度。或者或者另外，强度调整模块{320.i}可以包括可与光源/端口连接的光源控制器，例如光源模块/系统150的150.1至150.i，并适于调节各光源/端口的输出强度；以及

e.至少一个控制器360，可连接到一个或多个强度调整模块{320.i}及参考数据提供者310，并被配置及可操作以执行以下内容：

(i)从参考数据提供者310获得各光耦合器170的光学衰减属性；

(ii)根据磁力计{100.i}的各自光学耦合器170的光学衰减属性操作一个或多个强度调整模块{320.i}，以可控制的程度衰减或放大各自的光束{LB.i}，以产生其相关磁力计的各自蒸气室110入口处的光束{LB.i}的某些预定强度I₁，从而促进在所述区域x的准确及敏感的磁场映射。应注意到，可控的衰减/放大程度可由控制器根据各光耦合器170的光衰减属性并根据指示在光源系统/模块150的输出处的光束{LB.i}的强度的数据来确定--其中后者可预先确定及/或可测量/计算(例如使用光源{150.i}的功率消耗)及/或它可由数据(例如可由参考数据提供者310提供或存储)指示。

应该澄清的是，在各种实施例中，光源系统/模块150，可以是也可以不是本发明的空间分布式磁力计网络/阵列300的一部分，也可以是其外部。光源系统/模块150可以包括一个光源/端口(例如，150.1；例如，一个激光器)或几个光源/端口(例如，150.1、150.2、150.i；例如，几个激光器)，可以是一个单一的或分布式的系统。在一个共同的光源/激光器150.1用于几个磁力计的实施例中，可以包括一个分光器模块152，将光束从光源分到几个磁力计上。

应当注意的是，在一些实施例中，当不同的磁力计{100.i}各自的光束LB.i在其各自的蒸气室的入口处具有相似的预定强度时，由不同的磁力计测量的磁场B之间获得高的相对精度。因此，在这样的实施例中，控制器360可以被配置及/或可操作，用于操作强度调整模块{320.i}，使得光束LB.i的某些预定强度I₁被调节到多个所述磁力计{100.i}的这种类似的预定强度I₁，以由此获得多个磁力计{100.i}的磁场B测量值的准确及可比性。

需要指出的是，光耦合器170通常包括各自的光学组件，每个光学组件包括沿着其各自的光束从光源模块150到其各自的蒸气室110的各自的光传播路径的一个或多个光学组件。因此，光耦合器170的各自的光衰减属性与它们各自的光学组件的光衰减相关(即，是其功能)，特别是那些具有相对大量衰减的光学组件，例如，在百分之一或更多，甚至更少。

为此，如图7所示，一个或多个光耦合器170的光学组件可包括各自的光纤140，用于沿从光源模块/系统150到各自蒸气室110的至少一部分光传播路径传播各自的光束。由于光纤140可能相对较长，以便将电子器件从蒸气室中移出(例如，如上所述，以避免仪器噪音)，光耦合器170的各自的光衰减属性可能主要是分别确定/代表其各自光纤的衰减属性(除非在光学组件中包括相对高衰减的额外组件，在这种情况下，这种组件的衰减可能也需要在光耦合器的各自光衰减属性中考虑到)。因此，在一些实施例中，由数据提供者310提供/存储的光耦合器170的光学衰减属性可以指示或由各自的光耦合器170的光纤140的长度表示(例如，至少一些光耦合器170的各自光学衰减属性可以指示其光纤140的各自长度)。应所述注意的是，在一些实施例中，网络/阵列300的所有磁力计{100.i}的光耦合器170可以包括各自的光纤140。

应该注意的是，在一些实施例中，一个或多个光耦合器170的光学组件可以包括自适应光学元件，其光衰减因子/属性可以根据其自适应状态而变化。在这种情况下，数据提供者310可以被配置并可操作，以提供指示与这些组件的适应状态相对应的光耦合器的衰减因子/属性的数据。

如上所述，在一些实施例中，当磁力计100.i的各光束LB.i的偏振状态P₁及强度I₁在其蒸气室110的入口处均为已知时，可获得磁力计100.i的准确/灵敏的磁场测量。由于上面详细解释的原因，特别是由于需要将蒸气室110从光源系统150移开相当大的距离d以及在这样的距离上缺乏偏振维持纤维，光束LB.i可能以未确定的偏振到达蒸气室附近。因此，在本发明的一些实施例中，一个或多个磁力计{100.i}的光耦合器170(特别是那些其蒸气室与光源系统/模块150的位移距离相对较大，并且配备有光纤以将光束从光源模块150携带至蒸气室110；通常是所有)包括位于蒸气室附近(例如，距离较小，优选不超过几十厘米，或更优选不超过10厘米)的各自光学处理器120。光学处理器120被配置并可用于接收各磁力计100.i的各光束LB.i，其中光束具有一定的初始强度I₀及未确定的偏振P₀，并处理光束LB.i以在蒸气室110的入口处产生具有一定预定偏振状态P₁及一定强度I₁的光束LB.i。

光学处理器120一般可根据本申请中详细描述的光学处理器120及光学处理方法200的实施例进行配置及操作，例如参照上述图1至6B。

如上所述，这种光学处理器120的光衰减属性可能是显着的(例如，百分之几十)。因此，由数据提供者320提供的光耦合器170的各自的光衰减属性可以代表/包括其各自的光学处理器120部分的光耦合器170的衰减属性(以及可能的光耦合器的其他组件，如纤维140)。换句话说，至少一些光耦合器170的各自的光衰减属性包括对其各自的光学处理器120的衰减系数α的补偿。

如图7的非限制性例子所例示的，强度调整模块{320.i}可以被配置并可操作，用于调节光束在光学处理器120的入口处、蒸气室120的入口处(或光学处理器120的输出处)的初始强度I0或从光源系统150输出的光的强度，或在其从光源到光耦合器170或光学处理器120的传播期间(例如见图中调节模块{320.i}的不同位置。

应该注意的是，本发明的空间分布式磁力计网络/阵列300可以配置一个或多个所述磁力计{100.i}作为全光学磁力计。具体来说，全光学磁力计{100.i}可以被配置为贝尔布鲁姆配置。在一些实施例中，本发明的空间分布式磁力计网络/阵列300可以被配置成并可操作为准确而敏感的全光学磁力计网络/阵列，其中所有的磁力计{100.i}至少是以下之一：

a.全光学磁力计；

b.贝尔布鲁姆磁力计；

c.根据上述图4及图5的任何一个实施例，或根据本领域已知或将已知的任何其他合适的全光学、基于蒸气室的磁力计系统，配置及可操作的磁力计。

Claims (49)

1.一种磁力计，用于测量附近的磁场B，其特征在于，所述磁力计包括：

一蒸气室，包括原子蒸气；

一光学处理器，用于接收一光束，并引导所述光束作为一探测光束，以一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁进入所述蒸气室，用于与所述蒸气室的所述原子蒸气中的类碱原子的至少一类型相互作用，以探测其进动的一拉莫尔频率；以及

一检测器，用于检测与所述原子蒸气相互作用后的所述光束，以产生指示所述拉莫尔频率的多个信号/数据；

其中，所述光学处理器包括一光学去偏振器及一偏振器，相对于所述光束的一传播方向，沿所述光束通过所述光学处理器的一传播路径分别依次地布置(例如，不必然连续)；其中，所述光学去偏振器适于对所述光束进行去偏振化，以产生一去偏振化光束LB(I_im,P＝No)；以及所述偏振器被布置成对所述去偏振化光束进行偏振，以产生所述光束的所述预定偏振状态P₁，从而形成所述探测光束LB(I₁,P₁)，所述预定强度I₁是所述光束LB(I₀,P₀＝？)的一初始强度I₀的一预定部分α，并具有所述预定偏振状态P₁。

2.如权利要求1所述的磁力计，其特征在于：所述光学处理器适于输出所述光束LB(I₁,P₁)，所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的所述预定部分α，I_1＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀偏差一额定值的一不确定性，且其中所述光耦合器被配置及可操作，使得无论所述光束在进入所述光学处理器时的一初始偏振状态P₀如何，偏差的所述不确定性不超过Δα≤10％，从而促进基于所述检测器捕获的所述光准确确定进动的所述拉莫尔频率。

3.如权利要求1或2所述的磁力计，其特征在于：所述探测光束是一单色光束，其波长λ与所述类碱原子的一个或多个细结构吸收线相匹配。

4.如权利要求3所述的磁力计，其特征在于：所述单色光束在小于所述类碱原子的所述细结构吸收线的两个相邻的超细结构转变之间的一最短间隔的一狭窄光谱线宽Δν上延伸，从而改善所述检测器捕获的指示所述拉莫尔进动的光的一信噪比(SNR)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述光学处理器适于引导所述探测光束LB(I₁,P₁)作为具有优选地不超过A≤80mm²的一狭窄横截面面积的一单色偏振光束传播到所述蒸气室，从而有效地产生具有一高通量密度F₁≥I₁/A≡(α±Δα)I₀/A的所述探测光束；所述高通量密度F₁从而促进所述探测光束LB(I₁,P₁)与所述类碱原子的有效相互作用，从而改善由所述检测器检测指示进动的所述拉莫尔频率的光的一信噪比(SNR)。

6.如权利要求1至5中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述去偏振器包括一伪随机或随机的空间图案延迟器，所述空间图案延迟器被配置且可操作，用于在所述光束的一横截面区域A内对不同横截面区域的所述偏振进行空间上的随机。

7.如权利要求6所述的磁力计，其特征在于：所述空间图案延迟器提供用以当偏振具有波长带在[λ±Δλ/2]范围内的一狭窄单色光束时，去偏振化所述光束到一偏振度(DoP)等于或小于DoP≤10％，其中Δλ是所述波长带的一半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米，且所述光束的一横截面面积A或一直径D中的至少一者分别不超过A≤19.6mm²或D≤5mm。

8.如权利要求6或7所述的磁力计，其特征在于：所述空间图案延迟器包括一层液晶聚合物(LCP)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述偏振器的一偏振效应导致通过所述偏振器的所述光束的衰减一偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中所述偏振过滤因子Δα_pol中的一不确定性Δα_pol由所述去偏振器输出的所述光束的一偏振度(DOP)给出，Δα_pol＝DoP。

10.如权利要求9所述的磁力计，其特征在于：所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的一预定部分α，使得I₁＝(α±Δα)I₀≡(α_a/s±Δα_a/s)(α_pol±Δα_pol)I₀，其中α_a/s及Δα_a/s分别是所述光束的吸收及/或散射通过所述光学处理器的一吸收/散射衰减因子，且Δα_a/s是所述吸收/散射衰减因子α_a/s中的一可忽略的不确定性，Δα_a/s/α_a/s～0，因此相对于通过所述光学处理器的所述光束的所述初始强度I₀，所述光束的一定的所述预定强度I₁的一最大偏差Δα由I₁/I_0＝(α±Δα)≈α_a/s(α_pol±Δα_pol)给出，其中所述输出强度I₁相对于所述初始强度I₀的一最大偏差中的一不确定性实质上不超过从所述去偏振器输出的所述光束的所述偏振度(DOP)。

11.如权利要求1至10中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计配置为与产生所述光束的一光源(例如一激光器)相距一距离d，其中d为一米或更多米d≥1m，从而减少所述光源的电子学产生的多个电磁场的多个影响导致影响所述磁力计的所述磁场B的测量。

12.如权利要求11所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计与长度大于或等于所述一米或更多米的所述距离d的一光纤相关联，所述光纤延伸用于在所述光源及所述光学处理器的一光学输入之间传播所述光束；且其中所述光学处理器免除所述光纤在所述长度上被配置及作为一偏振保持光纤(PMF)的一需要。

13.如权利要求12所述的磁力计，其特征在于：所述光纤是一单模光纤(SMF)，从而提供所述光束，当离开所述光纤时，与相同长度的一多模光纤相比，具有一更均匀传播方向及/或一更均匀空间强度分布，从而改善由所述检测器检测的指示进动的所述拉莫尔频率的光的一信噪比(SNR)。

14.如权利要求1至13中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计被配置为一全光学磁力计，其中所述类碱原子的所述至少一类型被一泵浦光束激发，从而避免由所述类碱原子的电子泵浦/激发产生的多个电磁场的多个不利影响导致影响所述磁力计对所述磁场的测量。

15.如权利要求14所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计配置有一贝尔布鲁姆(Bell-Bloom)光学设置，其中所述光束既作为所述泵浦光束，又作为所述探测光束。

16.如权利要求14所述的磁力计，其特征在于：所述泵浦光束及所述探测光束是分别的多个光束。

17.如权利要求14至16中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述泵浦光束优选地是圆偏振，以改善所述泵浦光束对所述类碱原子的激发效率。

18.如权利要求14至17中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述泵浦光束在进入所述蒸气室之前被引导通过某个光学处理器，且其中所述某个光学处理器是所述光学处理器或另一个光学处理器，且包括分别相对于所述泵浦光束的一传播方向依次地布置的一光学去偏振器及一偏振器。

19.如权利要求14至18中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计被配置并可操作用于利用一自由感应衰变(FID)探测所述类碱原子的进动。

20.如权利要求14至19中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述泵浦光束的一频率、振幅或偏振中的至少一者以一调制频率进行调制。

21.如权利要求1至20中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述检测器包括一光电检测器，能够检测所述探测光束在通过所述蒸气室后的一最终强度I₂；所述探测光束的所述预定偏振状态P₁是一线性偏振、一圆形偏振或一椭圆偏振中的任何一者；以及其中所述预定强度I₁及所述最终强度I₂之间的一差异指示所述类碱原子的所述类型的一拉莫尔进动频率。

22.如权利要求21所述的磁力计，其特征在于：所述探测光束的所述预定偏振状态P₁优选地是圆偏振，以改善所述探测光束与进动的碱原子的相互作用率。

23.如权利要求1至22中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述检测器包括一偏振计，能够检测出指示探测光束在其预定初始偏振状态P₁及所述探测光束与所述蒸气室中的原子蒸气相互作用后的输出/最终偏振状态P₂之间的一偏振状态的一变化的数据；由此，所述探测光束的所述偏振状态的所述变化指示所述类碱原子的所述类型的一拉莫尔进动频率。

24.如权利要求23所述的磁力计，其特征在于：所述偏振器是一线性偏振器，从而提供所述预定偏振状态P₁是由包括所述探测光束的左及右圆偏振光束分量的一线性偏振。

25.如权利要求24所述的磁力计，其特征在于：所述偏振计能够检测所述探测光束的所述左及右圆偏振光束分量与所述蒸气室中的所述类碱原子的相互作用之间的一差异。

26.如权利要求20至25中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计适于在一频率范围内扫描/改变调制的一频率，并利用所述检测器确定所述预定偏振状态P₁及所述输出偏振状态P₂之间的所述差异或所述预定强度I₁及所述最终强度I₂之间的一差异的一变化，取决于所述频率范围内的所述调制的所述频率，并通过取决于所述调制频率来识别所述差异的一极值点来识别所述拉莫尔频率，所述拉莫尔频率指示待测量的所述磁场。

27.如前述权利要求中任一项所述的磁力计，其特征在于：所述检测器与一光学收集组件相关联，所述光学收集组件包括一个或多个光纤，适于在通过所述蒸气室后接收所述光束并将所述光束耦合到所述检测器，由此所述检测器从所述蒸气室移开。

28.如权利要求27所述的磁力计，其特征在于：所述磁力计是一全光学磁力计，且所述检测器从所述蒸气室移开，使得来自位于所述蒸气室的所述检测器的仪器磁场噪声低于所述磁力计系统待获得的一指定磁场测量灵敏度。

29.一种光学处理器，其特征在于，被配置成接收具有一定的一初始强度I₀及一未确定偏振P₀的一光束作为一输入，并处理所述光束，以输出具有相对于所述初始强度I₀的一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁的所述光束；

其中，所述光学处理器包括一光学去偏振器及一偏振器，相对于所述光束的一传播方向，沿所述光束通过所述光学处理器的一传播路径分别依次地布置(例如，不必然连续)；其中，所述光学去偏振器适于对所述光束进行去偏振化，以产生一去偏振化光束；以及所述偏振器被布置成对所述去偏振化光束进行偏振，以产生所述光学处理器的所述光束LB输出的所述预定偏振状态P₁及所述预定相对强度I₁。

30.如权利要求29所述的光学处理器，其特征在于：所述一定的所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的一预定部分α，I_1＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀的一额定值的偏差的一不确定性，且其中所述光耦合器被配置并可操作，使得无论所述光束在进入所述光学处理器时的一初始偏振状态P₀如何，偏差的所述不确定性不超过Δα≤10％。

31.如权利要求29或30所述的光学处理器，其特征在于：所述去偏振器包括一伪随机或随机的空间图案延迟器，所述空间图案延迟器被配置且可操作，用于在所述光束的一横截面区域A内对不同横截面区域的所述偏振进行空间上的随机。

32.如权利要求29至31中任一项所述的光学处理器，其特征在于：所述光学处理器被配置为在所述光束具有下列多个配置中的至少一者或两者的情况下操作：

-所述光束是一单色光束；及

-所述光束被指定为穿过所述去偏振器的一狭窄横截面面积

A≤80mm²；

其中，优选地所述空间图案延迟器提供用以当去偏振化波长带在[λ±Δλ/2]范围内的一狭窄单色光束时，去偏振化所述光束到一偏振度(DOP)等于或小于DOP≤10％，其中Δλ是所述波长带的一半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米(Δf<500MHz)，且所述光束的直径D不超过D≤10mm。

33.如权利要求29至32中任一项所述的光学处理器，其特征在于：所述光学处理器被配置为一全光学处理器。

34.一种方法，用于对一光束的光学处理，其特征在于，包括：

提供具有一定的一初始强度I₀及一未确定偏振P₀的一光束，以产生具有相对于所述初始强度I₀的一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁的所述光束；

去偏振化所述光束，以产生相对且实质上未偏振的偏振状态具有一定的一中间强度I_in的所述光束；以及

在所述去偏振化之后，偏振所述光束以产生所述预定偏振状态P1及所述一定的所述预定相对强度I₁。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于：所述方法有以下的至少一者：

-所述预定强度I₁是所述初始强度I₀的一预定部分α，I_1＝(α±Δα)I₀，其中Δα指定所述预定强度I₁相对于所述初始强度I₀的一额定值的偏差的一不确定性，且其中所述方法是可操作的，使得无论所述光束的一初始偏振状态P₀如何，偏差的所述不确定性不超过Δα≤10％；

-所述去偏振化是利用一伪随机或随机的空间图案延迟器进行的，所述空间图案延迟器被配置且可操作，用于在所述光束的一横截面区域A内对不同横截面区域的所述偏振进行空间上的随机。

36.如权利要求34至35中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法适于在所述光束配置为以下至少一者或两者的情况下操作：

-所述光束是一单色光束；

-所述光束具有一狭窄横截面面积A≤80mm²。

37.如权利要求34至36中任一项所述的方法，其特征在于：当去偏振化具有波长带在[λ±Δλ/2]范围内的一狭窄单色光束时，所述去偏振化产生一偏振度(DOP)等于或小于DOP≤10％，其中Δλ是所述波长带的一半最大值全宽，不超过Δλ≤1.33飞米，(Δf<500MHz)，且所述光束的直径D不超过D≤10mm。

38.如权利要求34至37中任一项所述的方法，其特征在于：所述偏振影响所述光束的衰减一偏振过滤因子α_pol＝0.5*±0.5*Δα_pol，其中所述偏振过滤因子Δα_pol的一不确定性Δα_pol由所述去偏振化后的所述光束的一偏振度(DOP)给出，Δα_pol＝DoP。

39.如权利要求34至38中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法被配置为一全光学处理方法。

40.一种方法，用于磁场测量，其特征在于，包括：

提供一光束，用于探测一蒸气室，以确定其中原子蒸气的进动的一拉莫尔频率，其中所述光束由移开所述蒸气室的一远程光源提供，并具有一定的一预定初始强度I₀及一未确定初始偏振P₀；

光学处理所述光束，在与所述蒸气室相邻的一位置产生所述光束，所述光束具有相对于所述初始强度I₀的一定的一预定强度I₁及一定的一预定偏振状态P₁，通过：

a.去偏振化所述光束，以产生具有一定的一中间强度I_in及实质上未偏振的偏振状态的所述光束；以及

b.在所述去偏振化之后，偏振所述光束以产生所述预定偏振状态P₁及所述一定的所述预定相对强度I₁；

在所述光学处理之后，引导所述光束通过所述蒸气室内，并与其中的所述原子蒸气相互作用，以探测其进动的一拉莫尔频率；以及

在与所述原子蒸气相互作用后，检测所述光束的一最终偏振状态P₂及一最终强度I₂中的至少一者，且利用所述最终偏振状态P₂及所述最终强度I₂中的至少一者来确定所述原子蒸气的进动的所述拉莫尔频率。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于：所述光学处理是根据权利要求34至39中任一项所述的光学处理方法进行的。

42.一种空间分布的磁力计阵列，包括多个磁力计，用于测量所述多个磁力计各自附近的一磁场B，其特征在于：

所述多个磁力计中的一个或多个磁力计的每一个磁力计包括：

a.所述磁力计的各自的一蒸气室，所述蒸气室包含原子蒸气；

b.所述磁力计的各自的一光耦合器，用于在为所述磁力计提供各自的一光束的一光源及所述磁力计的所述蒸气室之间进行光学耦合；

所述空间分布的网络/阵列包括：

a.一参考数据提供者，能够提供数据，所述数据指示所述一个或多个磁力计的各自的所述光耦合器的多个光学衰减属性；

b.一个或多个强度调整模块，分别与所述一个或多个磁力计相关联，并分别能够调整所述多个磁力计的各自的所述多个光束的强度I₁，使得在所述多个磁力计的对应的所述蒸气室的入口处，光束具有一定的一预定强度I₁；以及

c.与所述一个或多个强度调整模块可连接的至少一个控制器，并被配置为且可操作用于根据分别与其相关联的所述多个磁力计的各自的所述多个光耦合器的所述多个光学衰减属性操作所述一个或多个强度调整模块，从而在所述多个蒸气室的入口处产生所述一定的所述预定强度I₁；

其中，与所述多个磁力计中各自的一磁力计相关联的至少一光耦合器包括根据权利要求29至33中任一项所述的一光学处理器，所述光学处理器被配置且可操作用于接收各自的所述磁力计的各自的所述光束，其中所述光束具有一定的一初始强度I₀及一未确定偏振P₀，并处理所述光束，以产生具有一定的一预定偏振状态P₁及相对于所述初始强度I₀一衰减系数α的一强度I₁的所述光束，I₁≈αI₀。

43.如权利要求42所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：所述至少一些所述光耦合器的各自的所述光学衰减属性包括对所述光学处理器的所述衰减系数α的补偿。

44.如权利要求42或43所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：至少一控制器360被配置且可操作用于操作所述多个强度调整模块，使得将多个所述光束的一定的所述预定强度I₁调整到多个所述磁力计的一定的相同预定强度I₁，从而通过所述多个磁力计提供多个磁场测量的多个准确可比值。

45.如权利要求42至44中任一项所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：所述多个光耦合器包括各自的多个光学组件，每一个所述光学组件包括沿一光传播路径从至少一光源到它们各自的多个蒸气室的一个或多个光学元件；以及其中所述多个光耦合器的各自的多个所述光学衰减属性与所述多个光学元件的至少一个光学元件的所述光学衰减相关联，其中所述多个光学元件具有一相对大幅度的衰减。

46.如权利要求45所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：所述多个磁力计的一个或多个所述光耦合器的多个光学组件包括各自的多个光纤，用于沿从所述至少一光源到各自的所述蒸气室的一光传播路径的至少一部分传播各自的一光束；且其中由所述参考数据提供者提供的所述至少一些所述光耦合器的各自的所述多个光学衰减属性与沿所述多个光纤的各自的多个长度的所述衰减相关联。

47.如权利要求42至46中任一项所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：所述强度调整模块各自被配置且可操作用于调整所述一定的所述初始强度I₀及它们的输出强度I₁中的至少一者，以获得在它们各自的所述多个蒸气室的入口处的各自的所述光束中的所述一定的所述预定强度I₁。

48.如权利要求47所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：所述多个强度调整模块的每一个所述强度调整模块包括以下的至少一者：

a.可连接到所述至少一光源/端口的一控制器，用于调整所述光源的所述输出强度；

b.一光学放大器，在其各自的光束的所述传播路径中，能够以一可调整放大度放大所述光束的所述强度；以及

c.一光学衰减器，在其各自的光束的所述传播路径中，能够以一可调整衰减度衰减所述光束的所述强度。

49.如权利要求42至48中任一项所述的空间分布的磁力计阵列，其特征在于：一个或多个所述磁力计是相同的磁力计，以下列多个配置中的至少一者配置且可操作：

a.全光学磁力计；

b.贝尔布鲁姆磁力计；

c.根据权利要求1至28中任一项配置且可操作的磁力计。