CN113253165A - 一种新型全光学原子磁强计实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型全光学原子磁强计实现装置，分布式反馈半导体激光器产生的单色线偏光经光斑整形器整理成圆形光斑后入射电光调制器，电光调制器由微波源、信号发生器、微波开关、功率放大器组成的分时调制***驱动。从电光调制器出射的光束被扩束器调节至所需的光斑大小。光束在依次经过偏振片、四分之一波片、衰减片后转化为偏振性能和强度合适的原子气室入射光。原子气室出射光被偏振分光棱镜***为第一待测线偏光和第二待测线偏光，分别被第一探测器和第二探测器探测。本发明结构简单、测磁灵敏度高，使用单光束结构就可实现高灵敏度的全光学磁传感器，所有器件均可利用芯片级的器件代替，适合开发芯片级的原子磁传感器。

Description

一种新型全光学原子磁强计实现装置

技术领域

本发明技术涉及磁计量领域，尤其涉及一种新型全光学原子磁强计实现装置。

背景技术

原子磁强计是一种精密的磁场测量仪器，具有磁场测量灵敏度高的优点，在空间磁场测量、矿产资源探测、军事反潜、生物磁成像等领域都获得了广泛的应用。

工作于地磁场的原子磁强计一般通过激发磁场中原子的顺磁共振来测量磁场。常用的激发顺磁共振的方法有两种，一种是使用沿磁场方向的圆偏振抽运光将原子极化，沿垂直于待测磁场的方向上施加作用与原子的频率等于原子拉莫尔进动频率的射频场来实现顺磁共振，称为射频-光双共振磁强计；另一种是以原子的拉莫尔进动频率对抽运光进行幅度、频率或偏振调制来实现顺磁共振，称为Bell-Bloom磁强计。以抽运光调制技术实现的Bell-Bloom磁强计由于不需要为探头提供射频场，具有多探头之间相互干扰小、易于形成阵列的优点，获得关注和研究。

原子磁强计一般通过与原子光学跃迁共振的圆偏振光的吸收信号来探测原子极化来获得顺磁共振，或通过与原子光学跃迁失谐的线偏振光法拉第旋转来探测顺磁共振，其中法拉第旋转探测由于能够有效消除背景光及抑制激光噪声，因此人们常常采用法拉第旋转探测技术来研制高灵敏度原子磁强计。经典的法拉第旋转探测方案抽运光束与探测光束相互正交（简称“正交光路方案”）。正交光路方案一般采用两激光器产生所需的抽运光和探测光，因此激光参数可单独调节，磁强计易于获得高质量磁敏感信号。但是正交光路使得磁强计体积较大。

在实际应用中小型磁强计有很大需求量，因此小型化磁强计实现方案是一个重要研究方向。作为正交光路方案的一种优化，将圆偏光和线偏光成小角度从原子气室同一侧入射也是一种可行的方案（简称“近共束方案”）。近共束方案已经被用于Bell-Bloom磁强计，例如：被调制的圆偏光将原子极化后，线偏光以小角度与圆偏光在原子气室内交叉重合，单独探测线偏光的法拉第旋转获得磁敏感信号。近共束方案或进一步的共束方案取消了抽运光和探测光垂直入射原子气室的结构，因此其探头结构相较于正交光路方案获得了简化，探头体积也有所减小，但是双激光器的使用仍然增加了探头的体积、功耗、成本，限制了其小型化的潜力。

本发明提出一种抽运和法拉第旋转探测分时进行的Bell-Bloom磁强计方案（简称“分时抽运探测方案”）。以原子在磁场中的拉莫尔进动频率为基准，对激光进行周期性的频率或幅度调制，例如用信号发生器控制微波开关，来接通或断开微波，从而产生周期调制，使激光在多色光和单色光之间来回切换，与原子拉莫尔进动频率同步的抽运脉冲将驱动磁矩产生磁光共振。在多色光期间，与原子基态两超精细能级跃迁共振的正负一阶边带抽运原子产生极化；而在单色期间，与跃迁线保持一定失谐的线偏光在经过法拉第旋转后被差分探测。由于单色基频光与原子基态两超精细能级对称失谐，因此两跃迁线贡献的法拉第旋转角将以信号叠加的形式被提取。本方案使用一个四分之一波片将激光器产生的线偏光转化为椭圆偏振光，椭圆偏振光中线偏光分量和圆偏光分量各占一半，其中圆偏光分量用于在多色光期间将原子极化，线偏光分量用于在单色光期间探测法拉第旋转。所有圆偏光和未旋转的线偏光将以差分的方式等量抵消，理想的差分信号将只保留线偏光的法拉第旋转信息。

单束分时抽运探测方案仅使用单个激光器提供单束光就实现了相干抽运和法拉第旋转探测，它不仅具有正交光路方案相当的噪声抑制能力，在小型化、芯片化方面具有潜力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺点，进而提出的一种新型全光学原子磁强计实现装置。相较于传统全光学原子磁强计方案，该方案可在简化磁强计探头结构的同时获得高质量的磁场测量信号，从而实现高灵敏度的微型化原子磁强计。

本发明可通过以下技术方案来实现：

一种新型全光学原子磁强计实现装置，包括分布式反馈半导体激光器，分布式反馈半导体激光器发射的初始线偏光经过光斑整形器产生圆形光斑线偏光，分时调制***周期性向电光调制器输入微波信号，圆形光斑线偏光通过电光调制器调制后产生调制线偏光，调制线偏光经扩束器后获得扩束线偏光，扩束线偏光通过偏振片选偏为偏振面旋转线偏光后再经过四分之一波片产生椭圆偏振光，椭圆偏振光通过衰减器衰减后产生光强衰减后的椭圆偏振光入射到原子气室与原子相互作用后产生原子气室出射光，原子气室出射光入射偏振分光棱镜并经过偏振分光棱镜分束为偏振方向互相垂直的第一待测线偏光和第二待测线偏光，第一待测线偏光和第二待测线偏光分别由第一探测器和第二探测器探测。

如上所述的分时调制***包括微波源、微波开关、信号发生器、以及微波功率放大器。

信号发生器产生方波信号，通过方波信号的高电平触发微波开关连通时，微波源产生微波信号通过微波开关后形成待放大微波信号，待放大微波信号入射微波功率放大器产生功率放大微波信号，功率放大微波信号注入电光调制器进行频率调制；信号发生器产生的方波信号的低电平触发微波开关断开时，微波源产生的微波信号无法注入电光调制器调制。

如上所述的初始线偏光为单色线偏光，圆形光斑线偏光、调制线偏光、扩束线偏光、偏振面旋转线偏光、椭圆偏振光以及光强衰减后的椭圆偏振光均为圆形光斑。

如上所述的椭圆偏振光中线偏光分量和圆偏光分量各占一半，椭圆偏振光的椭圆的长轴方向与偏振分光棱镜的透光轴方向成45度角。

如上所述的圆形光斑线偏光为频率为f₀的单色线偏光，方波信号的高电平触发微波开关连通时，频率为f₀的圆形光斑线偏光经电光调制器调制为含频率f₊₁和f_-1正负一阶边带的双色线偏光作为调制线偏光；方波信号的低电平触发微波开关断开时，圆形光斑线偏光通过电光调制器、四分之一波片转换的椭圆偏振光为单色线偏光。

方波信号的低电平触发微波开关断开时，光强衰减后的椭圆偏振光中的与原子气室内原子跃迁线对称失谐Δf/2的线偏光分量进行极化探测；方波信号的高电平触发微波开关连通时，光强衰减后的椭圆偏振光中的圆偏光分量作为调制抽运光，Δf=f₊₁-f_-1。

如上所述的微波信号的频率的两倍与原子气室内原子跃迁线基态超精细能级间的跃迁频率相等。

如上所述的方波信号的频率与原子气室中原子在待测磁场中的拉莫尔进动频率f_L相等。

本发明相对于现有技术具有以下优势：

本发明使用单光束结构就可实现高灵敏度的全光学磁传感器。

附图说明

图1为本发明的工作流程示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中的激光与原子分时作用的能级示意图；

图4为抽运阶段和探测阶段激光的频率和偏振性能变化示意图；

图5为利用本发明进行实验得到的磁强计灵敏度信号图；

图中：1-分布式反馈半导体激光器（DFB）；2-初始线偏光；3-光斑整形器；4-圆形光斑线偏光；5-电光调制器（EOM）；6-调制线偏光；7-扩束器；8-扩束线偏光；9-偏振片；10-偏振面旋转线偏光；11-四分之一波片；12-椭圆偏振光；13-衰减器；14-光强衰减后的椭圆偏振光；15-原子气室；16-原子气室出射光；17-偏振分光棱镜（PBS）；18-第一待测线偏光；19-第一探测器；20-第二待测线偏光；21-第二探测器；22-微波源；23-微波信号；24-微波开关；25-待放大微波信号；26-微波功率放大器；27-功率放大微波信号；28-信号发生器；29-方波信号。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种新型全光学原子磁强计实现装置，包括分布式反馈半导体激光器1，分布式反馈半导体激光器1发射的初始线偏光2经过光斑整形器3产生圆形光斑线偏光4，圆形光斑线偏光4通过电光调制器5调制后产生调制线偏光6，调制线偏光6经扩束器7后获得扩束线偏光8，扩束线偏光8通过偏振片9选偏为偏振面旋转线偏光10后再经过四分之一波片11产生椭圆偏振光12，椭圆偏振光12通过衰减器13衰减后产生光强衰减后的椭圆偏振光14入射到原子气室15与原子相互作用后产生原子气室出射光16，原子气室出射光16入射偏振分光棱镜17，经过偏振分光棱镜17分束为偏振方向互相垂直的第一待测线偏光18和第二待测线偏光20，第一待测线偏光18和第二待测线偏光20分别由第一探测器19和第二探测器21探测。

一种新型全光学原子磁强计实现装置，还包括分时调制***，分时调制***包括微波源22、微波开关24、信号发生器28、以及微波功率放大器26，抽运和探测过程由信号发生器28控制微波开关24实现，信号发生器28产生方波信号29，通过方波信号29的高电平控制微波开关24连通时，微波源22产生微波信号23通过微波开关24后形成待放大微波信号25，待放大微波信号25入射微波功率放大器26产生功率放大微波信号27，功率放大微波信号27注入电光调制器5进行频率调制；信号发生器28产生的方波信号29的低电平控制微波开关24断开时，微波源22产生的微波信号23无法注入电光调制器5调制。

初始线偏光2为单色线偏光，圆形光斑线偏光4、调制线偏光6、扩束线偏光8、偏振面旋转线偏光10、椭圆偏振光12以及光强衰减后的椭圆偏振光14均为圆形光斑。

偏振片9选偏扩束线偏光8得到偏振性能良好的线偏光；此外，偏振片9通光轴和四分之一波片11通光轴组合后，椭圆偏振光12中线偏光分量和圆偏光分量各占一半，椭圆偏振光12的椭圆的长轴方向与偏振分光棱镜17的透光轴方向成45度角。

分时调制***由信号发生器28控制微波开关24通断实现分时抽运和探测。信号发生器28产生方波信号29的频率等于原子气室15内原子的拉莫尔进动频率，方波信号29的高电平触发微波开关24连通，微波源22产生的微波信号23通过微波开关24，再经微波功率放大器26放大获得功率放大信号27，功率放大信号27注入电光调制器5，圆形光斑线偏光4为频率为f₀的单色线偏光，频率为f₀的圆形光斑线偏光4经电光调制器5调制为含频率f₊₁和f_-1正负一阶边带的双色线偏光作为调制线偏光6；方波信号29的低电平触发微波开关24断开，圆形光斑线偏光4通过电光调制器5、四分之一波片11转换的椭圆偏振光12为单色线偏光。

双色光期间与原子气室15内跃迁频率共振的光强衰减后的椭圆偏振光14中的圆偏光分量用于极化原子；单色光期间与基态超精细能级对称失谐Δf/2的线偏光分量用于探测原子极化，Δf=f₊₁-f_-1。原子气室出射光16入射偏振分光棱镜17后由第一探测器19、第二探测器21分别探测第一待测线偏光18、第二待测线偏光20，第一探测器19、第二探测器21测量的信号相减消除全部圆偏光分量和未旋转的线偏光分量，获得信号叠加的旋光信号完成探测过程。

初始线偏光2的传播方向与光斑整形器3入射面垂直，调制线偏光6的传播方向与扩束器7的入射面垂直，扩束线偏光8的传播方向与偏振片9入射面垂直，偏振面旋转线偏光10的传播方向与四分之一波片11的入射面垂直，椭圆偏振光12的传播方向与衰减器13入射面垂直，原子气室出射光16的传播方向与偏振分光棱镜17的入射面垂直。

在扩束器7的扩束作用下，光强衰减后的椭圆偏振光14的直径与原子气室15入射面直径尺寸大小相同，使光强衰减后的椭圆偏振光14与原子气室15中原子充分作用。

原子气室15内选用铷或铯等碱金属原子作为工作物质，双色光期间，使用与原子气室15内原子跃迁线共振的光强衰减后的椭圆偏振光14中的圆偏光分量作为调制抽运光来对原子进行相干抽运，从而产生原子极化，单色光期间，光强衰减后的椭圆偏振光14中的与原子气室15原子跃迁线对称失谐Δf/2的线偏光分量用于极化探测。本实施例中，以铷87原子D1线跃迁为例，并选择分布式反馈半导体激光器提供光源，结合附图说明原子磁强计的实例。

图1为本发明的工作流程示意图，用来描述本发明的实施过程。分布式反馈半导体激光器1发射的初始线偏光2（单光束光源）用于提供本方案所需的单束激光，分时调制***可由信号发生器28控制微波开关24，从而对微波源22产生的微波信号23进行通断来实现。在分时调制***的控制下，分布式反馈半导体激光器1发射的初始线偏光2将在多色光和单色光之间来回切换，切换的频率等于原子气室15中的原子在磁场中的拉莫尔进动频率f_L，即方波信号29的频率为f_L。双色光期间，使用与原子气室15内原子跃迁线共振的光强衰减后的椭圆偏振光14中的圆偏光分量作为调制抽运光来对原子进行相干抽运，从而产生原子极化，单色光期间光强衰减后的椭圆偏振光14中的与原子气室15内原子跃迁线对称失谐Δf/2的线偏光分量用于极化探测。分时抽运与探测过程得以实现，最后对线偏光进行差分探测来提取磁场信息。

图2为本发明的结构示意图。分布式反馈半导体激光器1用于提供装置所需的激光。从分布式反馈半导体激光器1出来的初始线偏光2被光斑整形器3整理成圆形光斑线偏光4，电光调制器5（EOM）在接收到微波调制信号（功率放大信号27）后，将圆形光斑线偏光4转化为调制线偏光6。扩束器7用于将激光的光斑扩束至所需大小，得到扩束线偏光8，偏振片9将激光选偏后得到偏振性能良好的偏振面旋转线偏光10。调节偏振片9和四分之一波片11通光轴之间的夹角，将偏振面旋转线偏光10转化为椭圆偏振光12，椭圆偏振光12中的圆偏光分量和线偏光分量各占一半，并且椭圆偏振光12的椭圆的长轴方向与偏振分光棱镜17的透光轴方向成45度角。椭圆偏振光12通过衰减器13衰减后产生光强衰减后的椭圆偏振光14入射到原子气室15与原子相互作用后，携带着原子气室处的磁场信息成为原子气室出射光16。偏振分光棱镜17将原子气室出射光16***成第一待测线偏光18和第二待测线偏光20，其中第一待测线偏光18被第一探测器19探测并转化为电信号；第二待测线偏光20被第二探测器21探测并转化为电信号。

分时调制***包括微波源22、微波开关24、信号发生器28、以及微波功率放大器26。微波源22产生的微波信号23，微波信号23的频率的两倍与原子气室15内原子跃迁线基态超精细能级间的跃迁频率相等。微波开关24以信号发生器28提供的方波信号29的频率作为基准对微波信号23进行开关，得到待放大微波信号25。微波功率放大器26将待放大微波信号25的功率放大后，使激光在功率放大微波信号27的调制下，正负一阶边带的功率占比达到最大。

图3为本发明中的激光与原子分时作用的能级示意图，这里结合图2和图3来说明激光与原子分时作用的原理。信号发生器28产生的方波信号29的频率与原子气室15中原子在待测磁场中的拉莫尔进动频率f_L相等（f_L=γB,这里γ为工作原子的旋磁比，B为待测磁场大小）。在方波信号29处于高电平期间（对应图3中的高电平），微波开关24处于连通状态，待放大微波信号25被微波功率放大器26做功率放大后注入到电光调制器5，此时圆形光斑线偏光4将被调制成调制线偏光6，调制线偏光6为双色光，双色光的正负一阶边带对应图3左边的频率分别为f₊₁和f_-1的两个光频分量。在光强衰减后的椭圆偏振光14进入原子气室15后，光强衰减后的椭圆偏振光14中频率为f₊₁和f_-1的圆偏光分量分别作用于基态的上能级|5²S_1/2,F=2>和下能级|5²S_1/2,F=1>，将处于基态的原子抽运至激发态|5²P_1/2>，至此，单个高电平期间的原子极化工作完成。由于激光对原子的抽运频率与原子磁矩绕待测磁场的拉莫尔进动频率同步进行，相干抽运效果得以产生，原子磁矩在激光的作用下产生磁光共振。当微波开关24接收到的方波信号29处于低电平期间（对应图3中的低电平），微波开关24处于断开状态，微波信号23被阻隔无法加载于电光调制器5。此时圆形光斑线偏光4将自由通过电光调制器5，进入原子气室15的光强衰减后的椭圆偏振光14为单色光，对应图3右边频率为f₀的基频光。频率为f₀的基频光与原子基态两个超精细能级分别保持一定失谐，光强衰减后的椭圆偏振光14中的线偏光分量将产生与待测磁场相关的法拉第旋转角。在低电平阶段，携带着磁场信息的原子气室出射光16此时包含两部分光场，其中圆偏光部分将被偏振分光棱镜17***为相等的两部分，分别被第一探测器19和第二探测器21探测后再通过差分的办法相互抵消，因此它不会对探测信号产生干扰，而原子气室出射光16中的线偏光分量被偏振分光棱镜17***后分为光强不相等的部分，其差值可以通过第一探测器19和第二探测器21接收到的信号做差得到，从而提取出待测磁场的相关信息。

图4用于说明激光分别在抽运和探测周期内的频率和偏振性能变化情况。在方波信号29处于高电平期间，分布式反馈半导体激光器1产生的单色线偏光被注入到电光调制器5的功率放大微波信号27调制成双色线偏光（对应调制线偏光6），双色光的频率差等于注入的微波频率的两倍：Δf=f₊₁-f_-1。双色线偏光被偏振片9选偏后再通过四分之一波片11（λ/4）转化为双色椭圆偏振光，并且光强衰减后的椭圆偏振光14中的圆偏光分量和线偏光分量的强度相等，光强衰减后的椭圆偏振光14的长轴方向在进入原子气室15前与偏振分光棱镜17的透光轴成45度夹角。在方波信号29处于低电平期间，微波信号23被断开，分布式反馈半导体激光器1产生的初始线偏光2作为单色线偏光自由通过电光调制器5，初始线偏光2被四分之一波片11转化为椭圆偏振光12后，椭圆偏振光12中的线偏光分量将用于探测原子气室处的磁场信息。

图5为利用本发明进行全光学原子磁强计的物理实验得到的磁场测量灵敏度。实验中分布式反馈半导体激光器1提供的795nm激光对应铷87原子D1线跃迁，微波源22产生的3.4GHz的微波信号23的微波频率的两倍对应D1线跃迁基态超精细能级间的频率差。在设定1μT的待测磁场下，使用信号发生器28产生7kHz的方波信号29，最终实现了

的磁场测量灵敏度。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种新型全光学原子磁强计实现装置，包括分布式反馈半导体激光器（1），其特征在于，分布式反馈半导体激光器（1）发射的初始线偏光（2）经过光斑整形器（3）产生圆形光斑线偏光（4），分时调制***周期性向电光调制器（5）输入微波信号，圆形光斑线偏光（4）通过电光调制器（5）调制后产生调制线偏光（6），调制线偏光（6）经扩束器（7）后获得扩束线偏光（8），扩束线偏光（8）通过偏振片（9）选偏为偏振面旋转线偏光（10）后再经过四分之一波片（11）产生椭圆偏振光（12），椭圆偏振光（12）通过衰减器（13）衰减后产生光强衰减后的椭圆偏振光（14）入射到原子气室（15）与原子相互作用后产生原子气室出射光（16），原子气室出射光（16）入射偏振分光棱镜（17）并经过偏振分光棱镜（17）分束为偏振方向互相垂直的第一待测线偏光（18）和第二待测线偏光（20），第一待测线偏光（18）和第二待测线偏光（20）分别由第一探测器（19）和第二探测器（21）探测。

2.根据权利要求1所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的分时调制***包括微波源（22）、微波开关（24）、信号发生器（28）、以及微波功率放大器（26），

信号发生器（28）产生方波信号（29），通过方波信号（29）的高电平触发微波开关（24）连通时，微波源（22）产生微波信号（23）通过微波开关（24）后形成待放大微波信号（25），待放大微波信号（25）入射微波功率放大器（26）产生功率放大微波信号（27），功率放大微波信号（27）注入电光调制器（5）进行频率调制；信号发生器（28）产生的方波信号（29）的低电平触发微波开关（24）断开时，微波源（22）产生的微波信号（23）无法注入电光调制器（5）调制。

3.根据权利要求2所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的初始线偏光（2）为单色线偏光，圆形光斑线偏光（4）、调制线偏光（6）、扩束线偏光（8）、偏振面旋转线偏光（10）、椭圆偏振光（12）以及光强衰减后的椭圆偏振光（14）均为圆形光斑。

4.根据权利要求2所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的椭圆偏振光（12）中线偏光分量和圆偏光分量各占一半，椭圆偏振光（12）的椭圆的长轴方向与偏振分光棱镜（17）的透光轴方向成45度角。

5.根据权利要求2所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的圆形光斑线偏光（4）为频率为f₀的单色线偏光，方波信号（29）的高电平触发微波开关（24）连通时，频率为f₀的圆形光斑线偏光（4）经电光调制器（5）调制为含频率f₊₁和f_-1正负一阶边带的双色线偏光作为调制线偏光（6）；方波信号（29）的低电平触发微波开关（24）断开时，圆形光斑线偏光（4）通过电光调制器（5）、四分之一波片（11）转换的椭圆偏振光（12）为单色线偏光。

6.根据权利要求5所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，方波信号（29）的低电平触发微波开关（24）断开时，光强衰减后的椭圆偏振光（14）中的与原子气室（15）内原子跃迁线对称失谐Δf/2的线偏光分量进行极化探测；方波信号（29）的高电平触发微波开关（24）连通时，光强衰减后的椭圆偏振光（14）中的圆偏光分量作为调制抽运光，Δf=f₊₁-f_-1。

7.根据权利要求2所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的微波信号（23）的频率的两倍与原子气室（15）内原子跃迁线基态超精细能级间的跃迁频率相等。

8.根据权利要求2所述的一种新型全光学原子磁强计实现装置，其特征在于，所述的方波信号（29）的频率与原子气室（15）中原子在待测磁场中的拉莫尔进动频率f_L相等。

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