CN117054938A - 一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁探测技术领域，具体涉及一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头。依次包括激光光源、λ/2波片、偏振分光器、λ/4波片、工作元素气室和10％反射镜；拉莫尔射频线圈，设置在工作元素气室5的上下两端；通过在磁力仪探头内部集成饱和吸收光路；探测光经过λ/4波片后其偏振方向与泵浦光刚好成90°，经过偏振分光器时会被90°反射到光电探测器，实现对信号的光电检测；通过一个工作元素气室同时进行饱和吸收稳频和磁场测量，提高了激光光泵磁力仪磁场测量的精确度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及磁探测技术领域，具体涉及一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头。
背景技术
光泵磁力仪是利用原子能级在磁场中产生的塞曼分裂现象，采用光泵和磁共振技术制成的一种磁场测量设备。光泵磁力仪通常以碱金属、氦气等为工作元素，利用光泵作用使各磁子能级的原子完全集中到某一个磁子能级上，从而实现了原子的极化。驱动线圈产生交变射频磁场，与原子发生磁共振作用。此时，亚稳态原子需要重新吸收探测光，探测光透过原子气室的光会变弱，透过气室的光强最弱时对应的射频场频率f即为磁共振频率，进而可推算出被测磁场B0。
目前，大部分光泵磁力仪产品均为灯泵磁力仪，即磁力仪的光源为同种工作元素激发产生的光源，该光源的谱线较为分散，噪声大，发光效率低。因此，为提高磁力仪的灵敏度和精度等关键指标，光泵磁力仪的光源开始由谱灯转为激光光源。对激光光源波长的控制尤为重要，若激光的波长不准或抖动较大会大幅降低磁力仪测磁的精度和灵敏度，因此，激光光泵磁力仪需要对激光进行稳频。
当激光频率接近原子的能级的跃迁频率时，原子会吸收光子跃迁到激发态，通过扫描激光波长即可得到原子的吸收谱线，对该吸收信号进行调制解调可以得到激光稳频的鉴频信号，再通过PID调节可实现激光稳频。
主流的激光稳频方式为利用多普勒展宽吸收信号进行稳频或者是饱和吸收稳频。多普勒展宽稳频虽然可以直接在探头里实现，但是由于多普勒线宽较宽，无法精确的将频率稳定在原子跃迁频率上，会导致磁力仪的精度和灵敏度下降；采用饱和吸收稳频虽然频率稳定效果好，但是需要搭建较为复杂的饱和吸收光路，增大了磁力仪机箱的体积，不利于轻小型化平台的应用。
发明内容
本发明提供了一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，其目的在于解决光泵磁力仪的精度和灵敏度受激光频率影响较大的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，包括激光光源，发出的激光；
λ/2波片，用于改变光的偏振方向，配合偏振分光器来调节泵浦光的光强；
偏振分光器，使激光透过偏振分光器变成一束线偏振光；
偏振分光器，使激光透过偏振分光器变成一束线偏振光；
λ/4波片，使穿过的线偏振光变成圆偏振的泵浦光；
工作元素气室，产生多普勒吸收；
10％反射镜，反射回一束光强较弱的探测光，探测光于泵浦光光路重合方向相反，会在多普勒吸收深处产生饱和吸收峰；
拉莫尔射频线圈，设置在工作元素气室的上下两端，产生拉莫尔射频场，当拉莫尔射频场达到磁共振频率时，光强会被吸收；
光电探测器，实现对信号的光电检测；探测光经过λ/4波片后其偏振方向与泵浦光刚好成90°，经过偏振分光器时会被90°反射到光电探测器。
进一步的，所述工作元素气室，为圆柱形透明玻璃材料所制，内部填充有磁力仪的工作元素。
进一步的，所述工作元素为碱金属或者氦气。
本发明所达到的有益效果为：
本发明一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，通过在磁力仪探头内部集成饱和吸收光路，通过一个工作元素气室同时进行饱和吸收稳频和磁场测量，提高了激光光泵磁力仪磁场测量的精确度和灵敏度。
本发明一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，光路集成在探头内部，不改变磁力仪设备的体积重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。
图1为一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头原理示意图；
图中：1、激光光源；2、λ/2波片；3、偏振分光器；4、λ/4波片；5、工作元素气室；6、10％反射镜；7、拉莫尔线圈；8、光电探测器。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明提供了一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，依次包括激光光源1、λ/2波片2、偏振分光器3、λ/4波片、工作元素气室5和10％反射镜6；拉莫尔射频线圈，设置在工作元素气室5的上下两端；
包括激光光源1，发出的激光；
λ/2波片2，用于改变光的偏振方向，配合偏振分光器3来调节泵浦光的光强；
偏振分光器3简称PBS，使激光透过偏振分光器3变成一束线偏振光；
λ/4波片，使穿过的线偏振光变成圆偏振的泵浦光；
工作元素气室5，产生多普勒吸收；
10％反射镜6，反射回一束光强较弱的探测光，探测光于泵浦光光路重合方向相反，会在多普勒吸收深处产生饱和吸收峰；该镜片为半透半反镜，激光打到该镜片时总光强90％的光会穿过该镜片，10％的光会被反射，作为探测光。
拉莫尔射频线圈，设置在工作元素气室5的上下两端，产生拉莫尔射频场，当拉莫尔射频场达到磁共振频率时，光强会被吸收；
光电探测器8，实现对信号的光电检测；探测光经过λ/4波片4后其偏振方向与泵浦光刚好成90°，经过偏振分光器3时会被90°反射到光电探测器8。
所述工作元素气室5，为圆柱形透明玻璃材料所制，内部填充有磁力仪的工作元素，工作元素为碱金属或者氦气。
针对光泵磁力仪的精度和灵敏度受激光频率影响较大的问题，本发明采用了饱和吸收激光稳频方式，将激光频率精确的稳定在原子的跃迁频率上，从而解决了激光频率不准对磁场测量的影响。
针对饱和吸收光路体积较大的问题，本发明采用了将饱和吸收光路集成在探头里的方式，探头体积仍可以保持不变，并且能够兼顾激光稳频和磁场测量。
如图1所示，该系统的具体实施方案是，激光光源1发出的激光经过λ/2波片2，使激光的偏振方向与PBS的光轴对准，则激光透过PBS变成一束线偏振光，之后经过λ/4波片4变成圆偏振的泵浦光，泵浦光经过原子气室5后产生多普勒吸收，透过的光经过10％反射镜6，反射回一束光强较弱的探测光，探测光于泵浦光光路重合方向相反，会在多普勒吸收深处产生饱和吸收，探测光经过λ/4波片4后其偏振方向与泵浦光刚好成90°，经过PBS时会被90°反射到光电探测器8，实现对信号的光电检测。在气室两端放置拉莫尔线圈7并施加拉莫尔射频场，当拉莫尔射频场达到磁共振频率时，光强会被吸收，该吸收信号传输到后端处理电路中进行磁场的锁定和跟踪。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，其特征在于，包括：
激光光源(1)，发出的激光；
λ/2波片(2)，用于改变光的偏振方向，配合偏振分光器(3)来调节泵浦光的光强；
偏振分光器(3)，使激光透过偏振分光器(3)变成一束线偏振光；
λ/4波片(4)，使穿过的线偏振光变成圆偏振的泵浦光；
工作元素气室(5)，产生多普勒吸收；
10％反射镜(6)，反射回一束光强较弱的探测光，探测光于泵浦光光路重合方向相反，会在多普勒吸收深处产生饱和吸收峰；
拉莫尔射频线圈，设置在工作元素气室(5)的上下两端，产生拉莫尔射频场，当拉莫尔射频场达到磁共振频率时，光强会被吸收；
光电探测器(8)，实现对信号的光电检测；探测光经过λ/4波片(4)后其偏振方向与泵浦光刚好成90°，经过偏振分光器(3)时会被90°反射到光电探测器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，其特征在于：所述工作元素气室(5)，为圆柱形透明玻璃材料所制，内部填充有磁力仪的工作元素。
3.根据权利要求2所述的一种饱和吸收激光光泵磁力仪探头，其特征在于：所述工作元素为碱金属或者氦气。
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