CN111220934A - 基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***，包括探测光激光器、起偏器、射频线圈、脉冲型泵浦光激光器、第一原子气室、第二原子气室、四分之一玻片、探测光、第一反射镜、第二反射镜、偏振检测***及数据采集***等部件，通过设置泵浦光的圆偏振特性或者泵浦光、探测光在第一原子气室，第二原子气室内作用方式，得到两个气室内的磁场梯度值。本发明将两个脉冲泵浦磁力仪结合在一起，共用泵浦光或者探测光，并在信号端或者原子气室内将信号相减，提取出磁场梯度信息，有效提高了两个磁力仪的一致性，并抑制信噪比，得到较为准确的梯度值；减少了***的体积，节省了成本。

Description

基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***

技术领域

本发明涉及脉冲泵浦磁力仪技术领域，具体是一种基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***。

背景技术

磁力仪用于检测微弱磁场信号，广泛应用于医学，生物学，地质勘探，材料检测等领域。近年来，采用充入玻璃气室内的碱金属原子(如钾原子，铷原子，铯原子等)为工作物质的原子磁力仪是研究热点，脉冲泵浦型原子磁力仪一般由泵浦激光、探测激光、原子气室、射频线圈和光电探测器组成***。脉冲泵浦磁力仪是利用光泵浦方法将原子极化产生宏观磁矩，由于处在磁场中的原子绕着磁矩做旋进，探测光检测到磁矩旋转的投影，旋转的频率正比于外磁场大小，分析磁矩旋转的频率信息可以得到外界磁场值。

根据磁偶极子模型分析，磁场会随着距离呈现三次方衰减，为了准确探测某一物体产生的磁场，排除掉背景磁场的干扰，通常会用梯度的方法进行测量。一个原子磁力仪可以采集单个地点磁场信息，采用多个原子磁力仪可以组成梯度磁力仪，获取梯度信息。梯度磁力仪有一般有多个信号端，当磁场源信号靠近其中一个信号端，近点信号端感受到磁场信号，远点信号端由于磁场信号衰减无法感受到，二者相减得到磁场源信号，同时减掉了空间中的背景磁噪声及光路、电路***中的共模噪声，提高仪器信噪比。

传统梯度检测方法是利用两个不同磁力仪的信号相减得到差分信号，由于两个磁力仪信号幅度，噪声水平不同，直接相减得到的误差比较大，且体积大成本高。

传统梯度磁力仪采用的是光泵磁力仪或者磁通门磁力仪得到梯度信号，但是由于光泵磁力仪或者磁通门磁力仪等其他类型的磁力仪输出信号多数为相对电压信号，需要定标，无法保持绝对的一致性。另外，传统梯度磁力仪里面有射频线圈且无法共用射频线圈，为了避免相邻磁力仪串扰，需要分开一定距离，无法任意设置梯度磁力仪的间距，限制了梯度磁力仪的应用场合。

脉冲泵浦磁力仪信号是原子拉莫尔进动频率信号，是一种不需要定标的绝对磁力仪，且灵敏度高，相互之间无干扰，适合做磁场梯度检测。现有技术中脉冲泵浦磁力仪如结构图1所示，包括：泵浦光激光器6、起偏器2、四分之一玻片5、扩束镜12、探测光激光器1、起偏器2、射频线圈3、原子气室4、偏振检测***7和数据采集分析***8等。采用脉冲型高功率激光6作为泵浦光，待测磁场B沿着泵浦光方向，设置好泵浦光脉冲时序，激光从泵浦光激光器6经过起偏器和四分之一玻片5之后变成圆偏振光，经过扩束镜12变成大光斑照射整个原子气室，采用与探测原子共振频率一定失谐的激光作为探测光1，经过起偏器2得到线偏振光，偏振检测***7将探测光偏振变化的信息转换成电信号，由数据采集分析***8采集并分析得到结果，磁力仪工作时，在泵浦作用完成后关掉泵浦光，再施加一段时间的射频π/2脉冲，频率近似为原子的拉莫尔进动频率，这样偏振检测***7可以检测到原子磁矩的宏观进动信号，信号的表现是衰减的正弦振荡曲线，频率为磁场对应的拉莫尔进动频率，正比于待测磁场B大小。信号由数据采集***采集并进行分析，得到当前待测磁场B值。偏振检测***7可以用偏振分束棱镜及两个光电二极管组成，将偏振变化信息转换成电信号；数据采集分析***8可用数据采集卡及相应数据分析软件组成，均为现有通用的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***，将两个脉冲泵浦磁力仪结合在一起，共用泵浦光或者探测光，并在信号端或者原子气室内将信号相减，提取出磁场梯度信息，有效提高了通道的一致性并提高了信噪比，减少了***的体积。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***，包括探测激光器、脉冲型泵浦光激光器、起偏器、四分之一玻片、射频线圈、原子气室、偏振检测***及数据采集处理***，探测激光器发出的探测光经过原子气室后进入偏振检测***及数据采集处理***进行数据处理；在该原子气室的与探测光垂直的一侧设有脉冲型泵浦光激光器，其发出的泵浦光经过起偏器、四分之一玻片、扩束镜后进入原子气室；在原子气室的周围设置一对射频线圈，其特征在于，所述的原子气室由第一原子气室和第二原子气室间隔并排布置而成；所述的脉冲型泵浦光激光器发出的泵浦光直线经过第一原子气室和第二原子气室，或者将一个泵浦光激光器设在垂直于两个原子气室串联方向的一个原子气室的侧面，用45°反射镜或用偏振分光棱镜将泵浦光激光器发出的泵浦光分为两路，平行进入第一原子气室和第二原子气室；在所述的第一原子气室和第二原子气室与泵浦光垂直的侧面设有一个或两个探测激光器；采用二分之一玻片和偏振分束棱镜将探测光分成均匀两束，同时设置两套与其对应的偏振检测***及数据采集处理***；在设有一个探测激光器时，探测光经过第一原子气室后，采用两个45°反射镜将探测光反向再穿过了第二原子气室，进入一套偏振检测***及数据采集处理***进行数据处理。

所述的第一原子气室和第二原子气室相对的一侧相互延伸合并为一个原子气室。

本发明的技术效果是：脉冲泵浦磁力仪信号为绝对信号，不受制于各个气室内信号幅度的差异，不需要定标校准，具有很好的一致性；脉冲泵浦磁力仪可以在原子气室内部得到差分信号，减去了大部分的共模信号，具有较高的信噪比，提高了测量精度；并且脉冲泵浦磁力仪相互之间没有干扰，可以设置任意的探测间距甚至在一个气室内完成梯度信息的检测，具有更广泛的应用场景；在具体实施中可以共用泵浦光或者探测光，减少***复杂性，减小***体积，降低了成本。

附图说明

图1是现有技术中脉冲泵浦磁力仪的结构示意图；

图2是本发明的第一实施例(以“探测光正反照射式梯度磁力仪”为基础)的结构示意图；

图3是本发明的第二实施例(以“双探测光梯度磁力仪”为基础)的结构示意图；

图4是本发明的第三实施例(以“泵浦光正反照射式梯度磁力仪”为基础)的结构示意图；

图5是本发明的第四实施例(以“左右旋泵浦光照射式梯度磁力仪”为基础)的结构示意图；

图6是本发明的第五实施例(以“共用气室式梯度磁力仪”为基础)的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图2所示的实施例，包括第一原子气室4和第二原子气室41，在第一原子气室4的一端设有泵浦光激光器6，起偏器2、四分之一玻片5和扩束镜12；在两个原子气室的探测光光路的两端设有射频线圈3。在第一原子气室4的侧面设有探测光激光器1和起偏器2，在第一原子气室4的第二原子气室41的另一侧分部设有一个45°反射镜9，在第二原子气室41与45°反射镜91相对的一侧设有偏振检测***7及数据采集处理***8。泵浦光激光器6发出的泵浦光经过起偏器2、四分之一玻片5、扩束镜12后变成大光斑的圆偏振光，依次穿过第一原子气室4和第二原子气室41；探测光激光器1经过起偏器2后穿过第一原子气室4后再经过第一反射镜9和第二反射镜91偏转180度后穿过第二原子气室41，最终照射在偏振检测***7上。工作时设定泵浦光方向沿着待测磁场B及脉冲泵浦光和π/2脉冲的时序，产生的信号由数据采集处理***8采集并分析处理。偏振检测***7和数据采集处理***8为常规技术。

由于圆偏振泵浦光泵浦作用，原子产生宏观磁矩，磁矩绕着磁场方向旋进，大约1毫秒后泵浦光关闭，通过线圈施加π/2脉冲将磁矩旋转平面旋转到探测光所在平面，此时探测光经过第一个原子气室4检测到原子的旋进信号，在较短的时间内忽略原子的弛豫过程，此时探测光探测的信号为：

g₁(t)＝Asin(ω₁t+c1)

式中A为信号幅度，ω₁，c₁分别为第一个原子气室内原子的拉莫尔进动频率和初相位

探测光再经过第一反射镜9和第二反射镜91偏转180度后穿过第二原子气室41，探测光是远失谐，原子几乎对探测光无吸收，且由于探测光与原来入射方向相反，所以得到的信号大小相等，方向相反，此时的原子的进动频率和初相位为ω₂，c₂：

g₂(t)＝-A sin(ω₂t+c₂)，

探测器上总的信号Y为两个信号之和：

Y＝A sin(ω₁t+c1)-A sin(ω₂t+c2)

探测光经过偏振检测***7产生最终的信号，由于探测光单次穿过气室，偏振面旋转较小，忽略偏振分束棱镜带来的非线性变化，可以近似认为最终信号是信号Y通过电路放大一定比例后输出。由于ω₁与ω₂比较接近，在较短时间内

通过滤波器滤除和频项，最终信号幅度正比于频率差值，并随时间线性变化，最终探测的信号Q近似为：

Q＝K(ω₁-ω₂)t+c

K为***中电路的放大参数，通过定标可以得到K的值，通过拟合数据可以得到斜率即K(ω₁-ω₂)的值，从而得到两个原子气室内原子拉莫尔进动频率差(ω₁-ω₂)。旋磁比γ定义为碱金属原子在磁场中进行拉莫尔进动时的角频率与磁感应强度之比(旋磁比是一个常量，不同碱金属原子不同，例如对于铷原子旋磁比为7赫兹/纳特)，假设两个原子气室内探测光与泵浦光交叉区域中心间距为L，则梯度G为：

G(ω₁-ω₂)/(2πγ*L)

参见图3，该实施例的第一原子气室4、第二原子气室41、泵浦光激光器6和四分之一玻片5等器件的设置与上一实施例相同。不同的是，在两个原子气室的一侧各设有一个偏振检测***7，探测光激光1通过二分之一玻片10及偏振分束棱镜11均匀分成两束，第一束探测光经过起偏器2后进入第一原子气室4，第二束探测光经过45°反射镜9及起偏器2后进入第二原子气室41，在两个偏振检测***7的输出端连接一个数据采集处理***8。该实施例提供的梯度磁力仪中采用第一原子气室4和第二个原子气室41、第一探测光和第二探测光、第一偏振检测***和第二偏振检测***实现一阶梯度测量，原理与上实施例基本相同(区别在于是在电路端相减，图2的实施例是在原子气室里面相减，本质上基本类似)。可选的，也可以增加原子气室，探测光，检偏***实现多阶梯度，获得更高的梯度性能指标。

参见图4，该实施例与第一实施例的不同之处是两者的泵浦光激光器6和探测光激光器1的设置位置互换，即泵浦光和探测光的路线互换，其它镜片及线圈等器件设置一致。泵浦光激光器6提供脉冲泵浦光，探测光激光器1提供探测光，泵浦光经过四分之一玻片5后变成圆偏振光，泵浦光经过第一原子气室4后再通过第一反射镜9和第二反射镜91偏转180度后穿过第二原子气室41，由于圆偏振泵浦光泵浦作用原子产生宏观磁矩，但泵浦光在第一原子气室4和第二原子气室41中传播方向产生相反，产生的旋进信号也相反，工作时设定泵浦光方向沿着待测磁场B及脉冲泵浦光和π/2脉冲的时序，这时探测光依次穿过两个原子气室，探测到两个反向旋进的信号，最终照射在偏振检测***7上，产生的信号由数据采集处理***8采集并分析处理，数据分析过程如同图2所述实施例。

参见图5，该实施例与图4所示的实施例基本相同，不同之处是将图4中泵浦光通过起偏器2和扩束镜12之后，用二分之一玻片10和偏振分束镜11分成均匀的两束泵浦光，然后再通过两个四分之一玻片5变成左旋圆偏振光与右旋圆偏振光，分别进入第一原子气室4和第二原子气室41，左旋圆偏振光与右旋圆偏振光激发原子产生相反的进动信号；探测光配置与图4完全一致，依次穿过两个原子气室，探测到两个反向旋进的信号，最终照射在偏振检测***7上，产生的信号由数据采集处理***8采集并分析处理，数据分析过程如同图2所述实施例。

参见图6，该实施例提供的梯度磁力仪中，将上述各实施例中(该实施例以图4所示的实施例为基础，同样适用于上述其他实施例)的第一原子气室4和第二个原子气室41合并，采用一个足够长的原子气室4实现，这样保证了2个独立脉冲泵浦磁力仪所有的特性是一样，达到较高的工作一致性，消除设备本身的误差，梯度测量精度更高，降低了成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明将两个脉冲泵浦磁力仪结合在一起，共用泵浦光或者探测光，并在信号端或者原子气室内将信号相减，提取出磁场梯度信息，有效提高了通道的一致性并抑制信噪比，减少了***的体积。

Claims (2)

1.一种基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***，包括探测激光器、脉冲型泵浦光激光器、起偏器、四分之一玻片、射频线圈、原子气室、偏振检测***及数据采集处理***，探测激光器发出的探测光经过原子气室后进入偏振检测***及数据采集处理***进行数据处理；在该原子气室的与探测光垂直的一侧设有脉冲型泵浦光激光器，其发出的泵浦光经过起偏器、四分之一玻片、扩束镜后进入原子气室；在原子气室的周围设置一对射频线圈，其特征在于，所述的原子气室由第一原子气室和第二原子气室间隔并排布置而成；所述的脉冲型泵浦光激光器发出的泵浦光直线经过第一原子气室和第二原子气室，或者将一个泵浦光激光器设在垂直于两个原子气室串联方向的一个原子气室的侧面，用45°反射镜或用偏振分光棱镜将泵浦光激光器发出的泵浦光分为两路，平行进入第一原子气室和第二原子气室；在所述的第一原子气室和第二原子气室与泵浦光垂直的侧面设有一个或两个探测激光器；采用二分之一玻片和偏振分束棱镜将探测光分成均匀两束，同时设置两套与其对应的偏振检测***及数据采集处理***；在设有一个探测激光器时，探测光经过第一原子气室后，采用两个45°反射镜将探测光反向再穿过了第二原子气室，进入一套偏振检测***及数据采集处理***进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***，其特征在于，所述的第一原子气室和第二原子气室相对的一侧相互延伸合并为一个原子气室。

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