CN111025201A - 一种原子磁力仪探头光路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子磁力仪探头光路结构，其特征在于包括：VCSEL激光器、电子箱、第一光纤准直器、第二光纤准直器、PBS、1/4波片、原子气室和反射镜；其中，VCSEL激光器发出的出射光经入射光纤进入第一光纤准直器，第一光纤准直器将线偏振光转化为平行光，平行光经过PBS及1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过原子气室后投射到反射镜上，反射镜将圆偏振光原路返回入射到原子气室中，在PBS通过第二光纤准直器耦合进出射光纤，最后传输回电子箱实现磁场值的计算处理。本发明降低了原子磁力仪转向差，满足了提高原子磁力仪测量磁场准确度的需求。
Description
技术领域
本发明属于空间磁场测量技术领域，尤其涉及一种原子磁力仪探头光路结构。
背景技术
空间磁场测量技术在大范围地质结构和地球磁场研究中起到极其重要的作用。近年来，高精度空间磁场测量技术也得到了极大的发展。原子磁力仪作为高精度的标量磁场测量设备，也得到了广泛的应用。我国于2018年发射第一颗电磁监测卫星张衡一号01星，搭载原子磁力仪，用来探测地磁变化。
原子磁力仪因其磁测的高准确度、高灵敏度而得到广泛关注，现有原子磁力仪主要包括光泵磁力仪、CPT原子磁力仪、SERF磁力仪等，磁测原理大都基于原子敏感磁场的某些物理效应，以此达到磁场测量的目的。转向差作为原子磁力仪的固有属性，较低的转向差对于提高原子磁力仪的准确度指标有重要作用。目前国内外关于转向差的研究重点均为如何有效降低原子磁力仪的转向差。在空间磁测技术的推动下，急需一种能够用来降低原子磁力仪转向差的光路***，以此来满足提高原子磁力仪测量磁场准确度的需求
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种原子磁力仪探头光路结构，降低了原子磁力仪转向差，满足了提高原子磁力仪测量磁场准确度的需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种原子磁力仪探头光路结构，其特征在于包括：VCSEL激光器、电子箱、第一光纤准直器、第二光纤准直器、PBS、1/4波片、原子气室和反射镜；其中，所述VCSEL激光器固定于所述电子箱中，所述VCSEL激光器发出的出射光经入射光纤进入第一光纤准直器，第一光纤准直器将线偏振光转化为平行光，平行光经过PBS及1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过原子气室后投射到反射镜上，反射镜将圆偏振光原路返回入射到原子气室中，原子气室内碱金属原子在圆偏振光场与磁场的作用下发生塞曼效应后得到第二出射光，第二出射光依次通过1/4波片变为第二线偏振光，第二线偏振光经PBS波片后到达第二光纤准直器，第二光纤准直器将第二线偏振光准直后得到第二平行光进入到出射光纤，出射光纤通过法兰口将第二平行光耦合进电子箱，实现磁场值的计算及处理。
上述原子磁力仪探头光路结构中，所述第一光纤准直器为带尾纤光纤准直器，接口为FC/APC接口，且采用无磁封装的形式，封装后剩磁小于1nT。
上述原子磁力仪探头光路结构中，所述第二光纤准直器为带尾纤光纤准直器，接口为FC/APC接口，且采用无磁封装的形式，封装后剩磁小于1nT。
上述原子磁力仪探头光路结构中，所述原子气室为圆柱形，其端面直径尺寸为
长度为
单位为mm。
上述原子磁力仪探头光路结构中，所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
上述原子磁力仪探头光路结构中，PBS和1/4波片均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
上述原子磁力仪探头光路结构中，所述原子气室和反射镜均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
上述原子磁力仪探头光路结构中，磁测时，原子气室所处环境磁场均匀区的尺寸≥50×50，单位为mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过全新的光路结构降低了原子磁力仪转向差，满足了提高原子磁力仪测量磁场准确度的需求；
(2)本发明通过将原子磁力仪探头中磁性结构部件：光纤准直器设计为无磁封装的形式，将其剩磁控制在1nT以内，严格控制由探头内磁性结构部件带来的转向差；
(3)本发明通过将原子磁力仪探头中原子气室尺寸变小，使得铷原子在小尺寸气室中极化相对均匀，减小碱金属极化率，降低碱金属极化对转向差的影响，同时较小的原子气室尺寸降低环境磁场梯度的影响，从而使得转向差进一步降低；
(4)本发明通过将原子磁力仪探头中原子气室所处磁场均匀区范围设定为≥50×50，单位为mm的要求，从而使得转向差进一步降低。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的原子磁力仪探头光路结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的不同直径尺寸的原子气室所处磁场梯度示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的原子磁力仪探头光路结构的示意图。如图1所示，该原子磁力仪探头光路结构包括VCSEL激光器、电子箱、第一光纤准直器、第二光纤准直器、PBS、1/4波片、原子气室和反射镜；其中，
所述VCSEL激光器固定于所述电子箱中，所述VCSEL激光器发出的出射光经入射光纤进入第一光纤准直器，第一光纤准直器将线偏振光转化为平行光，平行光经过PBS及1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过原子气室后投射到反射镜上，反射镜将圆偏振光原路返回入射到原子气室中，原子气室内碱金属原子在圆偏振光场与磁场的作用下发生塞曼效应后得到第二出射光，第二出射光依次通过1/4波片变为第二线偏振光，第二线偏振光经PBS波片后到达第二光纤准直器，第二光纤准直器将第二线偏振光准直后得到第二平行光进入到出射光纤，出射光纤通过法兰口将第二平行光耦合进电子箱，实现磁场值的计算及处理。
VCSEL激光器固定于电子箱，然后经过光纤准直器，光纤准直器目的是将激光器发出的发散线偏振光转化成平行光，而后经过PBS进行平行光的纯化，再经过1/4波片后将线偏振光转为圆偏振光，进入到原子气室，而后经过一个反射镜，将光原路返回入射到原子气室中，原子气室内碱金属原子在光场与磁场的作用下发生塞曼效应。而后通过PBS波片，PBS波片后接另一光纤准直器，光纤准直器将光准直后进入到出射光纤，出射光纤通过法兰连接至位于电子箱中的光电探测器，光电探测器将探测到的光谱信号送回到电子箱中，进行信号的解调及处理和分析。
其中，原子磁力仪探头中光路采用反射式光路的设计方式，激光器出射后的线偏振光进入光纤准直器1，光纤准直器1将光转化为平行光，平行光经过PBS及1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过气室后投射到反射镜上，反射镜将光原路反射回来，在PBS端通过光纤准直器2耦合进出射光纤，最后传输回电子箱实现磁场值的计算处理。
在具体实施该方法时，应注意到该光路的其特征在于探头中光路采用反射式光路的设计。此外，因为原子磁力仪探头中光纤准直器1和光纤准直器2均为带尾纤的光纤准直器，接口均为FC/APC接口，其与出射光纤和入射光纤连接时，需通过法兰接口，连接时需格外注意防止带尾纤的准直器1和2受损或破坏。再次，光路安装时，原子磁力仪探头中PBS的尺寸需覆盖准直器出射的平行光的光束直径，例如激光器出光直径为4～5mm，那么要求PBS的尺寸≥5×5×5，单位为mm。对于原子气室的安装时，可将其用无磁加持结构件固定在平台上，因为电子箱产生的高频加热信号会用于原子气室加热，故实施时加持时，应注意加热线缆。还应注意到探头中固定各光学器件，如准直器、PBS、1/4波片、气室、透镜等的结构件均为无磁聚四氟乙烯材料制作，这样可将光路产生的剩磁降低到1-2nT，减少对磁测过程的干扰。最后在实施该方法时，应严格保证原子磁力仪探头中原子气室所处环境磁场均匀区的尺寸≥50×50，单位为mm。
本实施例通过减小原子气室尺寸的方式达到降低环境磁场梯度影响的目的。具体的仿真结果可参加图2，图2是不同直径尺寸的气室放置于磁场中的仿真示意图，该图表明了不同直径的原子气室在磁场中的磁场梯度范围是不同的，图2左侧表示正电荷也可理解为电流方向向上时产生的磁场，右侧表示负电荷，即电流方向向下时产生的磁场。从该图可看出直径大的气室，其端面所处位置处的磁场梯度大于直径小的气室端面位置处的磁场梯度。故通过减小原子气室尺寸可达到降低环境磁场梯度影响的目的。
采用本实施例的一种降低原子磁力仪转向差的探头实现方法，在开展了转向差测试，测试结果表1表明原子磁力仪水平方向和垂直方向转向差均得到了很大的提升，以50000nT背景磁场为例，其中水平模式和垂直模式的转向差均降低到10nT以下。
表1转向差测试结果
| 测试项目 | 测试结果(nT) |
| 平行模式转向差最大值 | 3.97 |
| 垂直模式转向差最大值 | 4.12 |
本发明通过全新的光路结构降低了原子磁力仪转向差，满足了提高原子磁力仪测量磁场准确度的需求；本发明通过将原子磁力仪探头中磁性结构部件：光纤准直器设计为无磁封装的形式，将其剩磁控制在1nT以内，严格控制由探头内磁性结构部件带来的转向差；本发明通过将原子磁力仪探头中原子气室尺寸变小，使得铷原子在小尺寸气室中极化相对均匀，减小碱金属极化率，降低碱金属极化对转向差的影响，同时较小的原子气室尺寸降低环境磁场梯度的影响，从而使得转向差进一步降低；本发明通过将原子磁力仪探头中原子气室所处磁场均匀区范围设定为≥50×50，单位为mm的要求，从而使得转向差进一步降低。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种原子磁力仪探头光路结构，其特征在于包括：VCSEL激光器、电子箱、第一光纤准直器、第二光纤准直器、PBS、1/4波片、原子气室和反射镜；其中，
所述VCSEL激光器固定于所述电子箱中，所述VCSEL激光器发出的出射光经入射光纤进入第一光纤准直器，第一光纤准直器将线偏振光转化为平行光，平行光经过PBS及1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过原子气室后投射到反射镜上，反射镜将圆偏振光原路返回入射到原子气室中，原子气室内碱金属原子在圆偏振光场与磁场的作用下发生塞曼效应后得到第二出射光，第二出射光依次通过1/4波片变为第二线偏振光，第二线偏振光经PBS波片后到达第二光纤准直器，第二光纤准直器将第二线偏振光准直后得到第二平行光进入到出射光纤，出射光纤通过法兰口将第二平行光耦合进电子箱，实现磁场值的计算及处理。
2.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：所述第一光纤准直器为带尾纤光纤准直器，接口为FC/APC接口，且采用无磁封装的形式，封装后剩磁小于1nT。
3.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：所述第二光纤准直器为带尾纤光纤准直器，接口为FC/APC接口，且采用无磁封装的形式，封装后剩磁小于1nT。
4.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：所述原子气室为圆柱形，其端面直径尺寸为
长度为
单位为mm。
5.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
6.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：PBS和1/4波片均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
7.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：所述原子气室和反射镜均为无磁聚四氟乙烯材料制作，将光路产生的剩磁降低到1-2nT。
8.根据权利要求1所述的原子磁力仪探头光路结构，其特征在于：磁测时，原子气室所处环境磁场均匀区的尺寸≥50×50，单位为mm。
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