CN104698404A - 一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，在一光路上依次包括：一偏振波片，一光强衰减器，一液晶组件，一原子气室，及光电探测器。通过对传统全光光泵磁力仪的原子磁传感器模块内部添加液晶组件，并实时调整加载在液晶组件上的电压幅值，来控制线偏振激光的偏振方向，使其满足与外磁场始终保持垂直，从而实现对全光光泵磁力仪方向误差及测量盲区问题的消除。

Description

一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器

技术领域

本发明涉及原子磁传感器，特别涉及一种能够消除激光光泵原子磁力仪中由于磁传感器相对于待测磁场的方向变化所导致的方向误差及测量盲区问题。

背景技术

磁力仪是对测量外界磁场大小的仪器的统称，具有高探测灵敏度的磁力仪被广泛的使用在生物医学、地球物理以及军事国防等领域。光泵原子磁力仪是目前发展最成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中，激光由于单色性好、选择特性优良等优势，利用其作为磁力仪的光源，能够极大程度地提升磁力仪***的性能指标，因而成为国内外的研究热点。与国外先进的光泵磁探测相比，国内的技术水平相对落后，因此，发展高灵敏度的光泵磁探测技术，将具有重要意义。

光泵磁力仪实现磁场测量的基本原理如下：在一定大小的外磁场下，原子的能级会产生***，***成一系列等距离分布的磁子能级，相邻磁子能级之间的频率间隔正比于外磁场的大小。传统的激光光泵磁力仪即通过不同的方式得到包含有磁场信息的磁共振信号，利用该信号得到相邻磁子能级之间的频率间隔，进而实现对外磁场大小的测量。

光泵磁力仪***主要由三个模块构成，分别为激光光源模块，原子磁传感器模块、磁共振信号检测模块。对于不同种类的光泵磁力仪，上述三个模块分别具有不同的结构。本发明主要针对基于全光方式的光泵磁力仪(以下简称全光光泵磁力仪)，即***只通过激光来获取实现磁场测量功能的磁共振信号。

传统的全光光泵磁力仪，其内部三个模块的具体组成及功能简述如下。一)激光光源模块。该模块主要包括激光光源(产生具有特定波长、强度以及频谱宽度的激光光束)、激光强度调制器(用于对激光的强度进行一定频率的调制)。激光光源产生的激光通过激光强度调制器，激光光强将被进行一定频率的调制，调制信号来源于磁共振信号检测模块。二)原子磁传感器模块。该模块内部主要包括光束准直***(用于控制激光光束的大小以及发散情况)、光学***(包括若干光学元器件，用于对激光的偏振状态进行控制)、原子气室(一般为充有一定原子气体的玻璃泡)以及光电探测元件(用于探测经过原子气室后的激光光信号，并将光信号转换为电信号输出)。激光光源模块产生的激光光束经过光束准直***进行扩束、准直后，经过一定光学偏振元件，将转化为具有一定偏振状态的光束，如圆偏振光或线偏振光。偏振光再入射原子气室，与原子气室内部的原子进行相互作用，透射出原子气室，被置于原子气室后面的光电探测元件进行探测，将光信号转化为电信号输出值磁共振信号检测模块。三)磁共振信号检测模块。其内部主要包括磁共振信号处理模块(用于对光电元件转化的电信号进行处理，如滤波、放大、鉴相等)、信号发生模块(用于产生频率、幅值可调的正弦信号或方波信号)、信号控制模块(根据处理后的磁共振信号，控制调制信号的频率或幅值)、磁探测结果显示模块(用于显示磁场探测结果)。调制信号发生模块产生频率可调的调制信号，输入至激光光源模块的激光强度调制器，对激光强度进行调制。原子磁传感器模块将转化的包含有待测磁场信号的磁共振电信号输入至磁共振信号处理模块，利用其内部的滤波、放大、锁相、鉴相等信号处理功能，实现磁共振信号的提取。调制信号控制模块则通过提取的磁共振信号，利用其内部的反馈控制***，对输出的调制信号的频率及幅值进行控制及锁定，并将锁定后的频率值换算为磁场值进行显示输出。

光泵磁力仪实现磁场测量，需要保证磁力仪能够与外磁场之间满足一定的夹角关系，对于全光光泵磁力仪亦是如此。如果夹角关系不满足，一方面会减小磁共振信号的幅值，在某些情况下，甚至探测不到磁共振信号(即测量盲区)，***则无法正常工作。另外，即使外磁场不变，夹角的改变也会改变磁场的探测结果(及方向误差)。因此，减小由于磁传感器相对于待测磁场的方向变化所导致的方向误差及测量盲区问题，对提高全光光泵磁力仪在运动平台下的探测性能指标，具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，通过对传统全光光泵磁力仪的原子磁传感器模块内部添加液晶组件，并实时调整加载在液晶组件上的电压幅值，来控制线偏振激光的偏振方向，使其满足与外磁场始终保持垂直，从而实现对全光光泵磁力仪方向误差及测量盲区问题的消除。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，在一光路上依次包括：一偏振波片，一光强衰减器，一液晶组件，一原子气室，及光电探测器。

进一步地，还包括一光束准直***；一棱镜；一光源模块，用以发出一激光光束。

所述激光光束通过一激光强度调制器进行调制。

所述光束准直***用以对激光光束进行准直以及扩束。

所述偏振波片用以将所述激光光束变为线偏振光，通过转动偏振波片，使得透过的激光光束强度最大。

所述光强衰减器用以调节所述线偏振光的强度。

所述液晶组件包括一第一四分之一波片(λ/4波片)，一液晶，一第二四分之一波片(λ/4波片)。

所述液晶加载一交变电压信号，通过所述交变电压信号的幅值，用以调节进入液晶组件激光光束线的偏振方向。

经过液晶组件后的线偏振光沿原子气室轴向方向入射，经过原子气室后，线偏振光入射至光电探测器。

所述光电探测器用以将线偏振光转化为电信号，并通过一导线将所述电信号输出至用于磁共振信号的采集处理的一磁共振信号检测模块，同时分别对加载在激光强度调制器上的调制信号频率及液晶上的交变电压信号幅值进行控制。具体地，调制信号加载在激光强度调制器上，用于对激光的强度进行调制，产生强度调制激光光束。

进一步地，所述的第一四分之一波片(λ/4波片)与第二四分之一波片(λ/4波片)的快轴呈正交关系，液晶的快轴与第一四分之一波片(λ/4波片)及第二四分之一波片(λ/4波片)的快轴均呈45°夹角。

进一步地，所述的液晶上需加载一定频率的交变电压信号，电压信号来源于磁共振信号检测模块内部的信号发生模块，且电压信号的幅值能够通过信号控制模块进行控制。

进一步地，所述的光电探测器还用以响应相应激光波长(频率)的激光信号。

本发明具有以下有益效果：

对于传统的全光光泵磁力仪，由于方向误差及测量盲区的存在，外磁场的方向变化会对仪器的探测性能带来不利的影响。本发明通过利用添加的液晶组件，实现对激光线偏振方向的实时控制，使得线偏振方向能够始终垂直于外磁场，从而消除了由于外磁场方向变化对仪器产生的方向误差以及测量盲区，提高了全光光泵磁力仪在运动平台下的探测性能指标。

附图说明

图1为本发明的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器结构示意图。

图2为本发明实施例中用于控制激光线偏振方向的电压信号幅值与激光的偏振方向同外磁场之间的夹角关系实验结果图。

附图标记说明：1-光束准直***，2-偏振波片，3-光强衰减器，4-第一四分之一波片(λ/4波片)，5-液晶，6-第二四分之一波片(λ/4波片)，7-原子气室，8-棱镜，9-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，有必要在此指出，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，本发明用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器包括：光束准直***1，偏振波片2，光强衰减器3，第一四分之一波片(λ/4波片)4，液晶5，第二四分之一波片(λ/4波片)6，原子气室7，棱镜8，光电探测器9。

从光源模块发出的激光光束被激光强度调制器进行调制后，首先经过光束准直***1，对激光光束进行准直以及扩束。准直后的激光光束经过偏振波片2将变为线偏振光，转动偏振波片，使得透过的激光光束强度最大。线偏振光激光强度通过光强衰减器3进行调节。经过光强衰减器后，线偏振光依次通过由第一四分之一波片(λ/4波片)4、液晶5、第二四分之一波片(λ/4波片)6组成的液晶组件，通过改变加载在液晶上交变电压信号的幅值，实现对进入液晶组件激光光束线偏振方向的调节。经过液晶组件后的线偏振光沿原子气室7轴向方向入射，经过原子气室7后，线偏振光入射至棱镜8进行聚焦，然后入射至光电探测器9。光电探测器9将光信号转化为电信号，并通过导线将所测得电信号输出至磁共振信号检测模块，用于磁共振信号的采集处理，同时分别对加载在激光强度调制器上的调制信号频率及液晶5上的交变电压信号幅值进行控制。

进一步，所述的第一四分之一波片(λ/4波片)4与第二四分之一波片(λ/4波片)6的快轴呈正交关系，液晶4的快轴与第一四分之一波片(λ/4波片)4及第二四分之一波片(λ/4波片)6的快轴均呈45°夹角。

进一步，所述的液晶5上需加载一定频率的交变电压信号，电压信号来源于磁共振信号检测模块内部的信号发生模块，且电压信号的幅值能够通过信号控制模块进行控制。

进一步，所述的光电探测器9能够响应相应激光波长(频率)的激光信号。

下面以用于全光光泵磁力仪的氦(⁴He)原子磁传感器为具体实施例，说明本发明的工作过程与原理：

1、选用的具体器件如下

光束准直***1实现对激光光束进行准直及扩束，偏振波片2为中心波长为1083nm的偏振波片。光强衰减器3为中心波长为1083nm的光强衰减器。第一四分之一波片(λ/4波片)4、第二四分之一波片(λ/4波片)6均为中心波长为1083nm的四分之一波片。液晶5为中心波长为1083nm的液晶。原子气室7为底面直径30mm，高40mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦(⁴He)原子气体，气压0.3Torr。棱镜8为中心波长为1083nm的棱镜。光电探测器9为能够响应1083nm中心波长光信号的InGaAs光电管。上述各部件固定封装于聚四氟乙烯材料制作的外壳中。

2、工作过程和原理

从光源模块发出的激光光束被激光强度调制器进行调制后，首先经过光束准直***1，对激光光束进行准直以及扩束。准直后的激光光束经过偏振波片2将变为线偏振光，转动偏振波片，使得透过的激光光束强度最大。线偏振光激光强度通过光强衰减器3进行调节。经过光强衰减器后，线偏振光依次通过由第一四分之一波片(λ/4波片)4、液晶5、第二四分之一波片(λ/4波片)6组成的液晶组件，通过改变加载在液晶上交变电压信号的幅值，实现对进入液晶组件激光光束线偏振方向的调节。经过液晶组件后的线偏振光沿原子气室7轴向方向入射，经过原子气室7后，线偏振光入射至棱镜8进行聚焦，然后入射至光电探测器9。光电探测器9将光信号转化为电信号，并通过导线将所测得电信号输出至磁共振信号检测模块，用于磁共振信号的采集处理，同时分别对加载在激光强度调制器上的调制信号频率及液晶5上的交变电压信号幅值进行控制。强度调制器上的调制信号频率需满足磁共振发生的条件。加载在液晶5上的交变电压信号的幅值需使得经过液晶组件后的激光线偏振方向始终垂直于外磁场。

如图2所示，为用于控制激光线偏振方向的电压信号幅值与激光的偏振方向同外磁场之间的夹角关系实验结果图。

利用本发明的***实现对激光线偏振方向的控制的基本逻辑如下：

1.液晶上加载的电压幅值大小会改变激光的线偏振方向；

2.图中的电压信号幅值与线偏振方向同外磁场之间的夹角有关，其中，当夹角为90°是，电压信号幅值为0，同时电压幅值在90°两侧正负极性相反；

3.因此，如果将上述信号反馈至液晶端，如果激光的线偏振方向同外磁场之间的夹角不为90°，则误差信号的幅值不为0，液晶就会使线偏振方向产生转动，直至线偏振方向与外磁场之间的夹角为90°，此时误差信号幅值为0。

Claims (9)

1.一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，在一光路上依次包括：一偏振波片，一光强衰减器，一液晶组件，一原子气室，及光电探测器。

2.如权利要求1所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，还包括一光束准直***；一棱镜；一光源模块，用以发出一激光光束。

3.如权利要求2所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述激光光束通过一激光强度调制器进行调制；所述光束准直***用以对激光光束进行准直以及扩束。

4.如权利要求1所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述偏振波片用以将所述激光光束变为线偏振光，通过转动偏振波片，使得透过的激光光束强度最大；所述光强衰减器用以调节所述线偏振光的强度。

5.如权利要求1所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述液晶组件包括一第一四分之一波片，一液晶，一第二四分之一波片。

6.如权利要求5所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述液晶加载一交变电压信号，通过所述交变电压信号的幅值，用以调节进入液晶组件激光光束线的偏振方向。

7.如权利要求6所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述光电探测器用以将线偏振光转化为电信号，并通过一导线将所述电信号输出至用于磁共振信号的采集处理的一磁共振信号检测模块，同时分别对加载在激光强度调制器上的调制信号频率及液晶上的交变电压信号幅值进行控制。

8.如权利要求5所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述的第一四分之一波片与第二四分之一波片的快轴呈正交关系，液晶的快轴与第一四分之一波片及第二四分之一波片的快轴均呈45°夹角。

9.如权利要求1所述的用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述的光电探测器还用以响应相应激光波长和/或频率的激光信号。