CN109342980A - 基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪 - Google Patents

Abstract

基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪，包括激光发生器、偏振片、四分之一波片、放置于磁屏蔽桶的原子气室、缠绕在原子气室外的射频线圈、偏振分束器、光电探头、电流电压转换器、锁相放大器、反馈调节器、直接数字式频率合成器。本发明通过椭圆光单光，实现泵浦与探测，是一种既能简化光路，又能用差分探测的方式消除光功率噪声的原子磁力仪。

Description

基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪

技术领域

本发明涉及磁场精密测量仪器，特别涉及基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪。

技术背景

磁场的精密测量，在军事侦察，矿产勘测，生物磁场探测等领域均有着重要的应用。不同的应用情景下，对磁力仪的带宽，灵敏度，空间分辨率等技术指标有着不同的要求。碱金属原子磁力仪，利用光与原子的相互作用，探测碱金属原子最外层价电子在磁场下的进动情况，来实现磁场的精密测量。典型的Mx原子磁力仪，光路包括泵浦光以及探测光。泵浦光选用圆偏振光，当原子吸收泵浦光子时，光子的角动量也传递给了原子***，从而原子***宏观角动量发生变化。在外磁场的作用下，宏观角动量体现为磁矩。通常的原子***选用碱金属元素。因为其最外层只有一个价电子，模型简单。并且有相应的半导体激光器，能够发出对应能级频率的光。泵浦光将碱金属原子***极化后，其在不同磁场下的进动情况不同。因此，通过光与原子的相互作用，来探测其极化方向的进动，从而进行磁场的测量。对原子极化的探测，可选用线偏振光和圆偏振光。线偏振光在通过极化的原子气体时，偏振面会发生旋转。圆偏振光在通过极化的原子气体时，不同的极化程度，光吸收率不同。Mx磁力仪可以工作在一定强度的本底磁场下，相对于零磁场本底的磁力仪（如无自旋交换弛豫磁力仪），有更广泛的应用场景。并且，Mx磁力仪的输出信号频率与外加射频信号同频，不需要额外的调制过程。典型的Mx磁力仪，有两种搭建方式：

第一种是双光束Mx磁力仪。两束光互相垂直，一束为圆偏振光，泵浦原子***。另一束为线偏振光，通过测量其偏振面的旋转，来测量磁场。圆偏振光，频率对应电子的跃迁能级，从而更好的泵浦。线偏振光，通常为失谐光，来获得更好的信号幅度，并减弱原子***对探测光的吸收。对于偏振面旋转的探测，通常选用平衡探测器。这种探测方式能够很好的消除光功率抖动带来的噪声。双光Mx磁力仪的原理清晰，可分别调节两束光的参数，差分探测的方式能够很好的消除光功率噪声。但因为有两束光，机构相对复杂，不容易做的很小。

第二种是单光束Mx磁力仪。只有一束圆偏振光，通过调节光与磁场的方向，让这束圆偏振光，既能起到泵浦的作用，又能起到探测的作用，简化了光路。但单光探测的方式，容易受光功率噪声的影响。并且输出信号有较大的直流量，在后续的信号处理中增加了工作量。

发明内容

为解决现有技术的不足，提供基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪，这种磁力仪结构合理，使用方便，能很好地对磁场进行精密测量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪，包括激光发生器、偏振片、四分之一波片、放置于磁屏蔽桶的原子气室、缠绕在原子气室外的射频线圈、偏振分束器、光电探头、电流电压转换器、锁相放大器、反馈调节器、直接数字式频率合成器；

激光发生器产生的单色光，经过透镜组进行光束扩大，扩大后的光束通过偏振片后，实现偏振的纯化，出射光为完全线偏振光；线偏振光经过四分之一波片后，通过调节四分之一波片与偏振片的夹角，使得出射光线变为椭圆偏振光；椭圆偏振光通过放置于磁屏蔽桶内的原子气室，与原子气室内的铷原子发生相互作用，气室中冲有缓冲气体；在待测磁场的磁矩作用下，原子宏观极化矢量围绕待测磁场方向发生进动；缠绕在原子气室外的射频线圈用于施加震荡磁场；椭圆光通过极化矢量投影变化的铷原子气室时，椭圆光的长轴方向发生偏转，其偏转方向随着极化矢量投影变化而变化；这个旋转的椭圆光束通过偏振分束器，被分为水平偏振光和垂直偏振光；光信号被光电探头接收，经电流电压转换器转化为电信号并差分后，电信号的震动就反映了椭圆偏振光的旋转；这个信号被送入锁相放大器中，与驱动线圈的原始信号进行比较，提取这两信号的相位差，这个相位差即反映了待测磁场的变化，从而获得待测磁场的大小；锁相放大器将输出的磁场变化量给反馈调节器，反馈调节器驱动直接数字式频率合成器，根据磁场变化的大小改变驱动线圈的频率，使得原子时刻处于磁共振状态，获得更好的信号。

本发明的克服了现有Mx原子磁力仪的缺点和不足，采用了单光束椭圆光的光路设计，实现了前述两种磁力仪优点的结合。

椭圆光可以看做是圆偏振光和线偏振光的组合，通过调节光束与磁场的夹角，使得圆偏振的部分进行原子***的泵浦，线偏振部分，用偏振面旋转的方法探测原子***的极化情况。在进行偏振面的旋转探测时，选用平衡探测器。圆偏振部分的光通过平衡探测器，被平分光强，从而对探测无影响。差分探测的方式，能够消除光功率噪声。为了获得更大的信号幅度，需要对光频率进行一定量的失谐。在已知原子气室组分的情况下，可以进行数值的分析，预测信号幅度与失谐量的关系。并搭配相应的闭环锁定***，实现完整的磁力仪***搭建。

其中的创新及技术实现包括：

调节四分之一波片与偏振器的夹角，获得需要的椭圆偏振光。夹角不同，椭圆光中左旋偏振光与右旋偏振光的成分比例不同。

椭圆光单光，同时实现泵浦与探测。

偏振信号的提取。出射光束通过偏振分束器分光，分束后的两束偏振光相减，从而实现差分测量。为方便理解，可将椭圆偏振光理解为圆偏振光与线偏振光的组合。线偏振部分用以实现偏振面旋转的探测，从而测量磁场。圆偏振的部分被偏振分束器平分，对信号无影响。差分检测的方式能够消除共模噪声。

光频率的选取。根据负折射率中，吸收部分与色散部分的关系可知，在共振点处，光吸收最强，即原子极化度较高。但此处色散为零，即探测信号最弱。所以，综合考量下，需要对光频率进行一定的失谐，从而达到同时泵浦与探测的目的。

综上，我们发明了一种既能简化光路，又能用差分探测的方式消除光功率噪声的原子磁力仪。即单光束椭圆光Mx原子磁力仪。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中标记为：1磁屏蔽桶，2缠绕在原子气室外的射频线圈、3放置于磁屏蔽桶的原子气室、4偏振分束器、5、7光电探头、6电流电压转换器。

具体实施方式

参照附图，基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪，包括激光发生器、偏振片、四分之一波片、放置于磁屏蔽桶的原子气室、缠绕在原子气室外的射频线圈、偏振分束器、光电探头、电流电压转换器、锁相放大器、反馈调节器、直接数字式频率合成器；

激光器产生的单色光，经过透镜组进行光束扩大，扩大后的光束通过偏振片后，实现偏振的纯化，出射光为完全线偏振光；线偏振光经过四分之一波片后，通过调节四分之一波片与偏振片的夹角，使得出射光线变为椭圆偏振光；椭圆偏振光通过放在磁屏蔽桶内的原子气室，与铷原子发生相互作用，气室中冲有缓冲气体，目的是为了减少原子与器壁的碰撞；在待测磁场的磁矩作用下，原子宏观极化矢量围绕待测磁场方向发生进动；缠绕在原子气室外的射频线圈施加一个震荡的磁场，震荡频率与极化矢量进动的频率相同时，即发生磁共振现象，使得进动更加强烈；极化矢量的进动导致在光束方向上的极化矢量投影发生变化，为正弦函数的形式；椭圆光通过极化矢量投影变化的铷原子气室时，椭圆光的长轴方向发生偏转，其偏转方向随着极化矢量投影变化而变化；这个旋转的椭圆光束通过偏振分束器，被分为水平偏振光和垂直偏振光；光信号被光电探头接收，转化为电信号并差分后，电信号的震动就反映了椭圆偏振光的旋转；这个信号被送入锁相放大器中，与驱动线圈的原始信号进行比较，提取这两信号的相位差，这个相位差即反映了待测磁场的变化，从而获得待测磁场的大小；锁相放大器将输出的磁场变化量给反馈调节器，反馈调节器驱动直接数字式频率合成器，根据磁场变化的大小改变驱动线圈的频率，使得原子时刻处于磁共振状态，获得更好的信号。

本实施例中：

激光器：产生单色光。

偏振片：纯化偏振，出射线偏振光。

四分之一波片：通过调整与偏振片夹角，获得椭圆偏振光。

偏振分束器：将偏振光分束。分为垂直偏振和水平偏振两束光。

磁屏蔽桶：屏蔽地磁场。获得干净的测量环境。

原子气室：真空玻璃泡，内部充入适量的Rb原子及缓冲气体（N2）。

光电探头：将光信号转化为电信号。

射频线圈：产生一个微弱的震荡磁场，形成磁共振。

电流电压转换：将光电探头的电流信号转换为电压信号。

锁相放大器：实现弱信号探测。输入为射频线圈的驱动信号和差分探测信号，输出为磁场的误差信号。

反馈调节控制器：通过锁相放大器的误差信号，调整射频线圈的驱动频率，实现动态跟踪，保持最好的磁共振状态。

直接数字是频率合成器：射频线圈的驱动源。通过反馈调节控制器控制直接数字是频率合成器的频率输出。

以下为可以使用的测量方法：

1、调节四分之一波片，可获得椭圆偏振光。

s=Sin2θ

上式中s用来标定椭圆度，θ为四分之一波片与偏振器的夹角。s=-1时，为左旋偏振光。s=0时，为线偏振光。s=1时，为右旋偏振光。

2、调节激光器波长。激光器波长与原子共振频率相当时，泵浦效应最强，但旋光效应最弱。上述磁力仪的探测信号为旋光信号，所以需要调节激光器波长，适当失谐，以获得最优的测量效果。

3、通过对图示中锁相放大器的输出信号的分析，得到磁场的测量值。

4、闭环锁定。通过反馈调节控制器动态跟踪补偿射频线圈的频率，维持其工作在最优的磁共振频率上。此时，频率信号跟随磁场大小进行变化。因此，频率信号也可标定磁场大小。

Claims (1)

1.基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪，包括激光发生器、偏振片，其特征在于还包括四分之一波片、放置于磁屏蔽桶的原子气室、缠绕在原子气室外的射频线圈、偏振分束器、光电探头、电流电压转换器、锁相放大器、反馈调节器、直接数字式频率合成器；

激光发生器产生的单色光，经过透镜组进行光束扩大，扩大后的光束通过偏振片后，实现偏振的纯化，出射光为完全线偏振光；线偏振光经过四分之一波片后，通过调节四分之一波片与偏振片的夹角，使得出射光线变为椭圆偏振光；椭圆偏振光通过放置于磁屏蔽桶内的原子气室，与原子气室内的铷原子发生相互作用，气室中冲有缓冲气体；在待测磁场的磁矩作用下，原子宏观极化矢量围绕待测磁场方向发生进动；缠绕在原子气室外的射频线圈用于施加震荡磁场；椭圆光通过极化矢量投影变化的铷原子气室时，椭圆光的长轴方向发生偏转，其偏转方向随着极化矢量投影变化而变化；这个旋转的椭圆光束通过偏振分束器，被分为水平偏振光和垂直偏振光；光信号被光电探头接收，经电流电压转换器转化为电信号并差分后，电信号的震动就反映了椭圆偏振光的旋转；这个信号被送入锁相放大器中，与驱动线圈的原始信号进行比较，提取这两信号的相位差，这个相位差即反映了待测磁场的变化，从而获得待测磁场的大小；锁相放大器将输出的磁场变化量给反馈调节器，反馈调节器驱动直接数字式频率合成器，根据磁场变化的大小改变驱动线圈的频率，使得原子时刻处于磁共振状态，获得更好的信号。