CN113625206A - 一种动态模式转换原子磁场探测装置 - Google Patents

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李莹颖
马明祥
徐馥芳
谢玉波
张锐
汪杰
罗玉昆
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Abstract

本发明提出一种动态模式转换原子磁场测量装置，利用液晶可变波片调控原子磁力仪中泵浦光的偏振状态，主要是：(1)利用圆偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光传输方向的矢量极化，实现高灵敏的标量磁场测量；(2)利用线偏振激光泵浦碱金属原子使原子自旋产生沿光偏振方向的张量极化，同时实现磁场分量幅值和方向测量。该发明在不增加激光光源和探测器的前提下实现了原子磁探测模式的动态切换，在保证***矢量测量功能的同时，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁场测量灵敏度。本发明装结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。

Description

一种动态模式转换原子磁场探测装置
技术领域
本发明属于一种磁场测量装置，具体涉及一种动态模式转换原子磁场探测装置。
背景技术
原子磁力仪是目前已被验证的探测灵敏度最高的磁场测量仪器。原子磁力仪按照测量磁场的能力可以分为标量原子磁力仪和矢量原子磁力仪。标量原子磁力仪也称为总场原子磁力仪，能够测量磁场的强度，可用于磁共振、心脑磁成像、常数测量等领域；矢量原子磁力仪能够测量磁场的强度和方向，可用于地磁匹配导航、目标探测、电偶极矩研究等领域。相较于矢量原子磁力仪，标量原子磁力仪虽然获得的磁场信息少，但是普遍灵敏度更高且抗干扰能力强。
原子自旋极化是原子磁力仪进行磁场测量的前提条件。实现原子自旋极化的方式有两种：一是利用圆偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光传输方向的矢量极化；另一种是利用线偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光偏振方向的张量极化。由于线偏振激光具有传输矢量和电极化两个特征方向，因此，利用线偏振激光可以构造矢量原子磁力仪，同时获取磁场强度和方向信息。
发明内容
本发明提供一种原子磁场探测装置，能实现动态模式的转换，可兼顾矢量探测模式和标量探测模式，实用性强。具体方案如下：
一种动态模式转换原子磁场测量装置，包括泵浦光束产生组件、探测光束产生组件、液晶可变波片、原子气室、辅助磁场产生组件以及探测光束检验组件；所述泵浦光束产生组件用于产生泵浦激光，泵浦激光用于极化原子气室中的碱金属原子介质；所述探测光束产生组件用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述液晶可变波片设置在泵浦激光的光路上，且液晶可变波片设置在泵浦光束产生组件和原子气室之间，用于动态切换通过其的泵浦激光的偏振状态；所述辅助磁场产生组件与原子气室对应设置，用于产生原子磁场探测装置所需补偿磁场和激励磁场；所述探测光束检验组件包括用于检测经过原子气室后的探测激光的偏振方向的变化的检验模块以及与所述检验模块连接的数据处理模块；所述辅助磁场产生组件和液晶可变波片均与数据处理模块连接。
应用本发明的技术方案，效果是：利用液晶可变波片调控原子磁力仪中泵浦光的偏振状态：一是利用圆偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光传输方向的矢量极化，实现高灵敏的标量磁场测量；另一种是利用线偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光偏振方向的张量极化，同时实现磁场分量幅值和方向测量。该发明在不增加激光光源和探测器的前提下实现了原子磁探测模式的动态切换，在保证***矢量测量功能的同时，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁场测量灵敏度。本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
本发明可选的，所述液晶可变波片具有双折射性，对透射光位相产生延迟量，能改变透射光的偏振状态。延迟量通过液晶可变波片驱动模块输出的驱动电压控制，能保证原子磁场探测装置实现动态模式的转换，从而达到兼顾矢量探测模式和标量探测模式。
本发明可选的，泵浦光束产生组件包括泵浦激光器控制器、泵浦激光器、第一分束镜、反射镜、第一扩束镜、第一二分之一波片以及第一起偏器，所述泵浦激光器发射线偏振激光，所述第一分束镜用于将泵浦激光分为泵浦参考光束和泵浦主光束，所述泵浦激光控制器用于控制泵浦激光器输出激光功率和频率，所述反射镜用于调整泵浦主光束的行进方向，所述第一扩束镜用于调整泵浦主光束的光斑尺寸，所述第一二分之一波片用于调整泵浦激光线偏振方向与液晶可变波片光轴之间的夹角，所述第一起偏器用于优化泵浦主光束的线偏振状态。
本发明可选的，探测光束产生组件包括探测激光控制器、探测激光器、第二分束镜、第二扩束镜、第二二分之一波片以及第二起偏器，所述探测激光器发射线偏振激光，所述第二分束镜用于将探测激光分为探测参考光束和探测主光束，所述探测激光控制器用于控制探测激光器输出激光功率和频率，所述第二扩束镜用于调整探测主光束的光斑尺寸，所述第二二分之一波片用于调整探测激光线偏振方向，所述第二起偏器用于优化探测主光束的线偏振状态。
所述的泵浦参考光束为装置泵浦激光功率和频率稳定提供参考信号；所述的泵浦主光束为后续原子极化使用；所述的探测参考光束为装置探测激光功率和频率稳定提供参考信号；所述的探测主光束为后续原子自旋探测使用。
所述原子气室为密闭的通光气室，内部充有碱金属原子(如钾、铷、铯)、缓冲气体(如氮气)、淬火气体(如氦气)。
本发明可选的，所述辅助磁场产生组件包括三维亥姆霍兹线圈、磁场驱动模块和液晶可变波片驱动模块，所述数据处理模块包括数据输入输出模块和信号处理模块。所述三维亥姆霍兹线圈用于产生原子磁场探测装置所需补偿磁场和激励磁场，所述磁场驱动模块输入端与数据输入输出模块输出端相连，磁场驱动模块输出端与三维亥姆霍兹线圈输入端相连，用于提供三维亥姆霍兹线圈驱动电流，所述液晶可变波片驱动模块输入端与数据输入输出模块输出端相连，所述液晶可变波片驱动模块输出端与液晶可变波片输入端相连，用于产生液晶可变波片的驱动电压。所述信号处理模块输出端通过数据输入输出模块与磁场驱动模块的输入端相连，用于控制三维亥姆霍兹线圈产生激励磁场；所述信号处理模块输出端通过数据输入输出模块与液晶可变波片驱动模块的输入端相连，用于控制液晶可变波片切换泵浦激光的偏振状态；所述信号处理模块输入端通过数据输入输出模块的输入端与平衡探测器差分输出端，用于接收来自原子气室中碱金属原子自旋进动信号。
本发明可选的，所述检验模块包括顺次设置在通过原子气室的探测激光光路上的聚焦镜、第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜以及平衡探测器，所述聚焦镜用于收集通过原子气室的探测激光，所述第三二分之一波片用于平衡射入平衡探测器两光电探头的光功率，所述沃拉斯顿棱镜用于将探测光束分为两束，所述平衡探测器用于检测经过原子气室后的探测激光的偏振方向的变化。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明所述的动态模式转换原子磁场探测装置结构示意图；
其中：101-泵浦激光器控制器，102-泵浦激光器，103-第一分束镜，104-反射镜，105-第一扩束镜，106-第一二分之一波片，107-第一起偏器，108-液晶可变波片，201-探测激光器控制器，202-探测激光器，203-第二分束镜，204-第二扩束镜，205-第二二分之一波片，206-第二起偏器，207-聚焦镜，208-第三二分之一波片，209-沃拉斯顿棱镜，210-平衡探测器，301-原子气室，401-三维亥姆霍兹线圈，402-磁场驱动模块，403-液晶可变波片驱动模块，501-数据输入输出模块，502-信号处理模块，1A-泵浦参考光束，1B-泵浦主光束，2A-探测参考光束，2B-探测主光束；
图2为本发明实施例中液晶可变波片输出透射光偏振状态与延迟量之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例：
参考附图1，本发明公开一种动态模式转换原子磁场测量装置，包括泵浦光束产生组件、探测光束产生组件、液晶可变波片108、原子气室301、辅助磁场产生组件以及探测光束检验组件；所述泵浦光束产生组件用于产生泵浦激光，泵浦激光用于极化原子气室中的碱金属原子介质；所述探测光束产生组件用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述液晶可变波片设置在泵浦激光的光路上，且液晶可变波片设置在泵浦光束产生组件和原子气室之间，用于动态切换通过其的泵浦激光的偏振状态；所述辅助磁场产生组件与原子气室对应设置，用于产生原子磁场探测装置所需补偿磁场和激励磁场；所述探测光束检验组件包括用于检测经过原子气室后的探测激光的偏振方向的变化的检验模块以及与所述检验模块连接的数据处理模块；所述辅助磁场产生组件和液晶可变波片均与数据处理模块连接。
详情如下，本实施例的动态模式转换原子磁场测量装置包括泵浦激光器控制器101、泵浦激光器102、第一分束镜103、反射镜104、第一扩束镜105、第一二分之一波片106、第一起偏器107、液晶可变波片108、探测激光器控制器201、探测激光器202、第二分束镜203、第二扩束镜204、第二二分之一波片205、第二起偏器206、聚焦镜207、第三二分之一波片208、沃拉斯顿棱镜209、平衡探测器210、原子气室301、三维亥姆霍兹线圈401、磁场驱动模块402、液晶可变波片驱动模块403、数据输入输出模块501、信号处理模块502。
所述泵浦激光器102发射线偏振激光，所述分束镜103用于将泵浦激光分为泵浦参考光束1A和泵浦主光束1B，所述泵浦激光控制器101用于控制泵浦激光器102输出激光功率和频率，所述反射镜104用于调整泵浦主光束1B的行进方向，所述第一扩束镜105用于调整泵浦主光束1B的光斑尺寸，所述第一二分之一波片106用于调整泵浦激光线偏振方向与液晶可变波片108光轴之间的夹角，所述第一起偏器107用于优化泵浦主光束1B的线偏振状态，所述液晶可变波片108用于动态切换通过其的泵浦激光的偏振状态。
所述液晶可变波片108具有双折射性，对透射光位相产生延迟量，可以改变透射光的偏振状态，延迟量通过液晶可变波片驱动模块403输出的驱动电压控制，
所述探测激光器202发射线偏振激光，所述第二分束镜203用于将探测激光分为探测参考光束2A和探测主光束2B，所述探测激光控制器201用于控制探测激光器202输出激光功率和频率，所述第二扩束镜204用于调整探测主光束2B的光斑尺寸，所述第二二分之一波片205用于调整探测激光线偏振方向，所述第二起偏器206用于优化探测主光束2B的线偏振状态，所述聚焦镜207用于收集通过原子气室301的探测激光，所述第三二分之一波片208用于平衡射入平衡探测器210两光电探头的光功率，所述沃拉斯顿棱镜209用于将探测光束分为两束，所述平衡探测器210用于检测经过原子气室301后的探测激光的偏振方向的变化。
所述的泵浦参考光束1A为装置泵浦激光功率和频率稳定提供参考信号；所述的泵浦主光束1B为后续原子极化使用；所述的探测参考光束2A为装置探测激光功率和频率稳定提供参考信号；所述的探测主光束2B为后续原子自旋探测使用。
所述原子气室301为密闭的通光气室，内部充有碱金属原子(如钾、铷、铯)、缓冲气体(如氮气)、淬火气体(如氦气)。
所述三维亥姆霍兹线圈401用于产生原子磁场探测装置所需补偿磁场和激励磁场，所述磁场驱动模块402输入端与数据输入输出模块501输出端相连，磁场驱动模块402输出端与三维亥姆霍兹线圈401输入端相连，用于提供三维亥姆霍兹线圈401驱动电流，所述液晶可变波片驱动模块403输入端与数据输入输出模块501输出端相连，所述液晶可变波片驱动模块403输出端与液晶可变波片108输入端相连，用于产生液晶可变波片108的驱动电压。
所述信号处理模块502输出端通过数据输入输出模块与磁场驱动模块402的输入端相连，用于控制三维亥姆霍兹线圈401产生激励磁场；所述信号处理模块502输出端通过数据输入输出模块与液晶可变波片驱动模块403的输入端相连，用于控制液晶可变波片108切换泵浦激光的偏振状态；所述信号处理模块502输入端通过数据输入输出模块501的输入端与平衡探测器210差分输出端，用于接收来自原子气室301中碱金属原子自旋进动信号。
本实施例中优选地，第一起偏器107光轴与通过第一二分之一波片106泵浦激光线偏振方向一致；第二起偏器206光轴与通过第二二分之一波片205探测激光线偏振方向一致。
本实施例中优选地，所述平衡探测器210输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。
本实施例中优选的，第一二分之一波片106、第一起偏器107、第二二分之一波片205、第二起偏器206、第三二分之一波片208分别由旋转安装座夹持，主轴可绕各自通过光束轴线方向旋转。
本实施例中优选的，所述反射镜104方向可调，用于控制后续泵浦主光束1B的传播方向。
本实施例中一种动态模式转换原子磁场测量装置，其工作过程如下：
1)搭建如上所述动态模式转换原子磁场测量装置；
2)所述泵浦激光器102出射的线偏振激光经过第一分束镜103后分为两束，泵浦主光束1B供后续使用，泵浦参考光束1A反馈给泵浦激光器控制器101，用于稳定泵浦激光器102输出光功率和频率；所述探测激光器202出射的线偏振激光经过第二分束镜203后分为两束，探测主光束2B供后续使用，探测参考光束2A反馈给探测激光器控制器201，用于稳定探测激光器202输出光功率和频率；
3)所述泵浦主光束1B经过反射镜104调整行进方向，调整第一扩束镜105放大倍数，使透过第一扩束镜105的泵浦激光光斑覆盖原子气室301；调整第二扩束镜204放大倍数，使透过第二扩束镜204的探测激光光斑覆盖原子气室301；
4)调整第一二分之一波片106主轴，使液晶可变波片108入射光的偏振方向与液晶可变波片108的光轴夹角为45°，调整第一起偏器107光轴与通过第一二分之一波片106泵浦激光线偏振方向一致；调整第二起偏器206光轴与通过第二二分之一波片205探测激光线偏振方向一致；
5)透射出原子气室301的探测光被聚焦镜207收集，调整第三二分之一波片208主轴方向使射入平衡探测器210两光电探头的光功率相等，所述沃拉斯顿棱镜209将探测光束分为两束，所述平衡探测器210将经过原子气室301后的探测激光信号转化为电信号并做差分运算，得到透射探测光偏振方向的变化；
6)所述信号处理模块502输入端通过数据输入输出模块501的输入端与平衡探测器210差分输出端，用于接收来自原子气室301中碱金属原子自旋进动信号；所述信号处理模块502输出端通过数据输入输出模块与磁场驱动模块402的输入端相连，控制三维亥姆霍兹线圈401产生交变激励磁场；
7)所述信号处理模块502输出端通过数据输入输出模块与液晶可变波片驱动模块403的输入端相连，用于控制液晶可变波片108切换泵浦激光的偏振状态，详见图2，具体是：当液晶可变波片驱动模块403控制控制液晶可变波片108延迟量为0或1/2波长时，透射泵浦光为线偏振激光，此时原子磁探测装置工作在矢量探测模式，可以获得磁场的分量和方位信息；当液晶可变波片驱动模块403控制控制液晶可变波片108延迟量为1/4波长时，透射泵浦光为圆偏振激光，此时原子磁探测装置工作在标量探测模式，可以获得高灵敏的磁场总场信息。
应用本发明的技术方案，效果是：
本发明利用液晶可变波片调控原子磁力仪中泵浦光的偏振状态：一是利用圆偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光传输方向的矢量极化，实现高灵敏的标量磁场测量；另一种是利用线偏振激光泵浦碱金属原子，使原子自旋产生沿光偏振方向的张量极化，同时实现磁场分量幅值和方向测量。该发明在不增加激光光源和探测器的前提下实现了原子磁探测模式的动态切换，在保证***矢量测量功能的同时，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁场测量灵敏度；本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，包括泵浦光束产生组件、探测光束产生组件、液晶可变波片(108)、原子气室(301)、辅助磁场产生组件以及探测光束检验组件；
所述泵浦光束产生组件用于产生泵浦激光，泵浦激光用于极化原子气室中的碱金属原子介质；
所述探测光束产生组件用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；
所述液晶可变波片设置在泵浦激光的光路上，且液晶可变波片设置在泵浦光束产生组件和原子气室之间，用于动态切换通过其的泵浦激光的偏振状态；
所述辅助磁场产生组件与原子气室对应设置，用于产生原子磁场探测装置所需补偿磁场和激励磁场；
所述探测光束检验组件包括用于检测经过原子气室后的探测激光的偏振方向的变化的检验模块以及与所述检验模块连接的数据处理模块；所述辅助磁场产生组件和液晶可变波片均与数据处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述液晶可变波片(108)具有双折射性，对透射光位相产生延迟量，能改变透射光的偏振状态。
3.根据权利要求1所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述泵浦光束产生组件包括泵浦激光控制器(101)、泵浦激光器(102)、第一分束镜(103)、反射镜(104)、第一扩束镜(105)、第一二分之一波片(106)以及第一起偏器(107)，泵浦激光器(102)用于发射泵浦激光；第一分束镜(103)设置在泵浦激光的光路上，用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束(1A)和泵浦光主光束(1B)；所述泵浦激光控制器(101)设置在泵浦光参考光束(1A)的光路上且与泵浦激光器(102)连接，用于对泵浦激光的频率进行选择及锁定；反射镜(104)、第一扩束镜(105)、第一二分之一波片(106)以及第一起偏器(107)顺次设置在泵浦光主光束(1B)的光路上。
4.根据权利要求1所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述探测光束产生组件包括探测激光控制器(201)、探测激光器(202)、第二分束镜(203)、第二扩束镜(204)、第二二分之一波片(205)以及第二起偏器(206)，探测激光器(202)用于发射探测激光；第二分束镜(203)设置在探测激光的光路上，用于将探测激光分为探测参考光束(2A)和探测主光束(2B)；所述探测激光控制器(201)设置在探测参考光束(2A)的光路上且与探测激光器(202)连接，用于对探测激光的频率进行选择及锁定；第二扩束镜(204)、第二二分之一波片(205)以及第二起偏器(206)顺次设置在探测主光束(2B)的光路上。
5.根据权利要求1所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述原子气室(301)为密闭的通光气室，原子气室的内部充有碱金属原子和缓冲气体。
6.根据权利要求1所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述辅助磁场产生组件包括三维亥姆霍兹线圈(401)、磁场驱动模块(4.2)和液晶可变波片驱动模块(4.3)，所述数据处理模块包括数据输入输出模块(501)和信号处理模块(502)，所述三维亥姆霍兹线圈(401)设置在原子气室(301)的外周围，所述信号处理模块(502)的输入端通过数据输入输出模块(501)的输入端与检验模块的输出端，所述信号处理模块(502)的输出端通过数据输入输出模块(501)的输出端分别与磁场驱动模块(402)的输入端以及液晶可变波片驱动模块(403)的输入端连接；所述磁场驱动模块(402)的输出端与三维亥姆霍兹线圈(401)的输入端相连，用于提供三维亥姆霍兹线圈(401)的驱动电流；所述液晶可变波片驱动模块(403)的输出端与液晶可变波片(108)的输入端相连，用于产生液晶可变波片(108)的驱动电压。
7.根据权利要求6所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，所述检验模块包括顺次设置在通过原子气室的探测激光光路上的聚焦镜(207)、第三二分之一波片(208)、沃拉斯顿棱镜(209)以及平衡探测器(210)，聚焦镜(207)用于收集通过原子气室(301)的探测激光；所述第三二分之一波片(208)用于平衡射入平衡探测器(210)两光电探头的光功率，所述沃拉斯顿棱镜(209)用于将探测光束分为两束，所述平衡探测器(210)用于检测经过原子气室(301)后的探测激光的偏振方向的变化；数据输入输出模块(501)的输入端与平衡探测器(210)的输出端连接。
8.根据权利要求6或7所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，该原子磁探测装置具有矢量探测模式和标量探测模式。
9.根据权利要求8所述的动态模式转换原子磁场测量装置，其特征在于，当液晶可变波片驱动模块(403)控制所述液晶可变波片(108)的延迟量为0或1/2波长时，透射泵浦光为线偏振激光，此时原子磁探测装置工作在矢量探测模式，能获得磁场的分量和方位信息；当液晶可变波片驱动模块(403)控制所述液晶可变波片(108)的延迟量为1/4波长时，透射泵浦光为圆偏振激光，此时原子磁探测装置工作在标量探测模式，能获得磁场总场信息。
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