CN114527415A - 一种多通道全光法极弱磁场检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道全光法极弱磁场检测装置，包括激光器和设置在光路上的扩束准直***、分光棱镜、空间光调制器、光学4F***、碱金属原子气室、CCD相机和光电探测器阵列，激光器发射780nm激光，经过扩束准直***进行准直，通过分光棱镜后入射到空间光调制器，经过相位调制后携带特殊波前信息的光束经过4F***，CCD相机把光学影像转化为数字信号，测得其光斑的偏振分布，通过光电探测器阵列把光信号转变为电信号测得其光场强度，从而可计算出磁场强度，本发明将矢量光场调控与碱金属原子气室结合在一起；当本发明作为探测光束应用于原子磁强计***时，可以实现原子磁强计多通道磁场测量。

Description

一种多通道全光法极弱磁场检测装置

技术领域

本发明涉及磁场检测领域，尤其涉及一种多通道全光法极弱磁场检测装置。

背景技术

磁场信号的探测与测量一直以来都是人类认识物理世界的重要方法，对人类文明具有重要意义，近年来，对弱磁信号的探测广泛应用于空间科学、生物磁学、物质的成分及结构分析等诸多领域。原子磁强计是一种用于探测外磁场作用下碱金属蒸气极化变化的光学仪器，基于光和原子以及原子和磁场之间的相互作用进行磁场测量，因为具有超高的磁场检测灵敏度，成为了弱磁场检测的主要装置。多通道磁探测方法在不同的空间尺度上均有很重要的应用，例如地质勘探、生物磁场测量、磁显微镜等。

现有技术中，原子磁强计的检测光路主要为单通道技术方案，即单个原子气室中只通过一束探测光，探测光与原子相互作用产生信号，然后经过相应的光电感应装置来接收磁场信息，单通道技术方案只能测量原子气室中单点的信息，造成信息的测量效率较低。为了构建用于磁场分布检测的多通道***，一种技术是将多个原子气室和激光器排列，同时对多个小型化原子气室同时进行泵浦和探测来获取多通道信息。但结构差异会影响传感器的均匀性。另一种方式是将原子磁强计中的泵浦光分割成几段后扫描二维磁场分布。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多通道全光法极弱磁场检测装置，包括光源和通过光路设置的扩束准直***、第一分光棱镜、空间光调制器、光学4F***、原子气室模块、第二分光棱镜和CCD图像采集模块；

所述碱金属原子气室模块包括碱金属原子气室；所述空间光调制器为反射式空间光调制器；

所述CCD图像采集模块包括光电探测器阵列和CCD相机，所述光电探测器阵列和CCD相机分别通过光路与所述第二分光棱镜光路连接；

所述光源射出光束，所述光束经过所述扩束准直***后通过所述第一分光棱镜进入所述空间光调制器实现光束的编码调制与改变空间上的光场分布，经过调控的所述光束反射回第一分光棱镜并折射入光学4F***，进入所述光学4F***后的光束进入所述碱金属原子气室，并携带碱金属原子气室内的光斑图通过第二分光棱镜分为两道光束，两道光束分别进入所述光电探测器阵列和CCD相机，所述CCD相机将光学影像转化为数字信号，测得光斑的偏振分布；所述光电探测器阵列将光信号转变为电信号，测得光场强度，从而计算出磁场强度。

进一步地，所述碱金属原子气室设有用于加热所述碱金属原子气室的加热件；

当所述极弱磁场检测装置作为探测光束应用于原子磁强计***时，所述加热件加热所述碱金属原子气室，所述碱金属原子气室内的碱金属原子极化，且不同体积的所述碱金属原子成为独立的局部磁传感器，通过反射式空间光调制器调制探测光束，实现磁场分布的多通道弱磁测量。

进一步地，所述光源为激光器，所述激光器发射的激光的波长为780nm。

进一步地，所述扩束准直***包括依次光路设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的焦点不同，所述光束通过所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜实现扩束准直。

进一步地，所述光学4F***包括依次光路设置的第三平凸透镜、第四平凸透镜、第五平凸透镜和第六平凸透镜，所述第三平凸透镜、第四平凸透镜、第五平凸透镜和第六平凸透镜的焦距相同，所述碱金属原子气室设置于所述第五平凸透镜和所述第六平凸透镜之间。

进一步地，所述光学4F***内还设有用于对所述光束滤波的小孔光阑，所述小孔光阑设于所述第三平凸透镜和所述第四平凸透镜之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：将矢量光场调控与碱金属原子气室结合在一起，该多通道全光法极弱磁场检测装置应用于原子磁强计***时，可以实现原子磁强计多通道磁场测量，经过计算和处理，可同时得到多通道磁场信息，从而达到提高其灵敏度的目的；测量装置结构简单、检测精度高、抗干扰能力强、可靠性高、使用范围广、功能可扩充，是一种可用于弱磁测量的多通道光学检测方法。

附图说明

图1为本发明一种多通道全光法极弱磁场检测装置结构图；

图2为原子磁强计示意图。

图中，1、激光器；2、第一平凸透镜；3、第二平凸透镜；4、第一分光棱镜；5、空间光调制器；6、第三平凸透镜；7、小孔光阑；8、第四平凸透镜；9、第五平凸透镜；10、碱金属原子气室；11、第六平凸透镜；12、第二分光棱镜；13、CCD相机；14、光电探测器阵列；15、加热件；16、磁补偿线圈；17、磁屏蔽装置；18、探测光束；19、泵浦光束。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种多通道全光法极弱磁场检测装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

如图1所示，一种多通道全光法极弱磁场检测装置，包括光源和设置在光路上的扩束准直***、分光棱镜、空间光调制器5、光学4F***、原子气室模块和CCD图像采集模块。

光源为激光器1，激光器1发出的光束波长为780nm；扩束准直***包括第一平凸透镜2和第二平凸透镜3，第一平凸透镜2和第二平凸透镜3的焦距不同；分光棱镜包括第一分光棱镜4和第二分光棱镜12，用于光束的分光；空间光调制器5为反射式空间光调制器，用于光束的矢量调控；光学4F***包括第三平凸透镜6、第四平凸透镜8、第五平凸透镜9和第六平凸透镜11，第三平凸透镜6、第四平凸透镜8、第五平凸透镜9和第六平凸透镜11的焦距相同，需要注意的是，第三平凸透镜6和第四平凸透镜8之间的光路上还设有小孔光阑7，用于滤波；原子气室模块包括碱金属原子气室10和用于碱金属原子气室的加热件15，在需要的时候，对碱金属原子气室10进行加热，使碱金属原子气室10内的碱金属原子极化，碱金属原子在高压下缓慢扩散，在单个相干寿命期间会局限于气室的小区域内，磁场梯度回时碱金属原子气室10中不同体积的碱金属原子成为独立的局部磁传感器；CCD图像采集模块包括CCD相机13和光电探测器阵列14，CCD相机13用于采集光斑偏振分布，光电探测器阵列14用于接收光束与原子相互作用产生的信号，从而获得检测到的磁场信息。

本发明的技术原理：激光器1发射波长为780nm的激光光束，光束依次经过第一平凸透镜2和第二平凸透镜3进行扩束准直，以输出平行光。经过扩束准直的平行光束通过第一分光棱镜4并在不改变光束偏振态的情况下进入反射式空间光调制器进行矢量调控，反射式空间光调制器可对平行光束进行编码调制，改变空间上的光场分布。平行光束经过反射式空间光调制器后携带特殊波前信息反射回第一分光棱镜4，并折射入第三平凸透镜6，光束经过第三平凸透镜6进行聚焦，后通过小孔光阑7进行空间滤波，滤除杂散光，经过第四平凸透镜8将滤波后的光束变为平行光，平行光束经过第五平凸透镜9聚焦于碱金属原子气室10，第六平凸透镜11将通过碱金属原子气室10的光束进行扩束，并进入第二分光棱镜12中。碱金属原子气室10放置于第五平凸透镜9和第六平凸透镜11的交点处，可以获得最高的调制效率，不易丢失信息，且可同时获取碱金属原子气室10内多个不同位置的光斑图。其中，第三平凸透镜6、第四平凸透镜8、第五平凸透镜9、第六平凸透镜11组成的光学4F***是线性光学处理***，光学透镜将不同的光学图像变换成不同的空间频谱，可用光电探测元件接收各个部分的空间频谱来进行分析，或运用空间光调制器5对输入信号的空间频谱进行各种处理。

进入第二分光棱镜12的光束被分为两道光束，其中一道光束进入CCD相机13，CCD相机13把光学影像转化为数字信号，测得其光斑的偏振分布；另一道光束进入光电探测器阵列14，光电探测器阵列14把光信号转变为电信号，测得其光场强度，从而计算出磁场强度。

测量人员需按照装置结构将各元件放置于适当位置，打开激光器1开关后，调整光路至其通畅，通过反射式空间光调制器改变相位对光束进行调制，使用CCD相机13对光路信息进行采集，期间可以使用加热件对碱金属原子气室10进行加热以采集多种温度下的光场信息。可以更进一步的观测光与原子间的作用。

本发明可作为探测光束18应用于如图2所示的原子磁强计***，当本发明应用于原子磁强计***时，加热件15外部为磁补偿线圈16,磁补偿线圈16对剩磁进一步补偿，保证内部为无磁环境。加热件15加热碱金属原子气室10，使碱金属原子气室10内部不同体积的碱金属原子成为独立的局部磁传感器。此时，通过泵浦光束19对碱金属原子进行泵浦，并使用反射式空间光调制器调制探测光束18对碱金属原子气室10进行探测，可实现磁场分布的多通道弱磁测量。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多通道全光法极弱磁场检测装置，其特征在于，包括光源和通过光路设置的扩束准直***、第一分光棱镜(4)、空间光调制器(5)、光学4F***、原子气室模块、第二分光棱镜(12)和CCD图像采集模块；

所述碱金属原子气室模块包括碱金属原子气室(10)；所述空间光调制器(5)为反射式空间光调制器；

所述CCD图像采集模块包括光电探测器阵列(14)和CCD相机(13)，所述光电探测器阵列(14)和CCD相机(13)分别与所述第二分光棱镜(12)光路连接；

所述光源射出光束，所述光束经过所述扩束准直***后通过所述第一分光棱镜(4)进入所述空间光调制器(5)实现光束的编码调制与改变空间上的光场分布，经过调控的所述光束反射回第一分光棱镜(4)并折射入光学4F***，进入所述光学4F***后的光束穿过所述碱金属原子气室(10)，并携带碱金属原子气室(10)内的光斑图通过第二分光棱镜(12)分为两道光束，两道光束分别进入所述光电探测器阵列(14)和CCD相机(13)，所述CCD相机(13)将光学影像转化为数字信号，测得光斑的偏振分布；所述光电探测器阵列(14)将光信号转变为电信号，测得光场强度，从而计算出磁场强度。

2.根据权利要求1所述的极弱磁场检测装置，其特征在于，所述碱金属原子气室(10)设有用于加热所述碱金属原子气室(10)的加热件(15)；

当所述极弱磁场检测装置作为探测光束应用于原子磁强计***时，所述加热件(15)加热所述碱金属原子气室(10)，所述碱金属原子气室(10)内的碱金属原子极化，且不同体积的所述碱金属原子成为独立的局部磁传感器，通过反射式空间光调制器调制探测光束，实现磁场分布的多通道弱磁测量。

3.根据权利要求2所述的多通道全光法极弱磁场检测装置，其特征在于，所述光源为激光器(1)，所述激光器(1)发射的激光的波长为780nm。

4.根据权利要求3所述的多通道全光法极弱磁场检测装置，其特征在于，所述扩束准直***包括依次光路设置的第一平凸透镜(2)和第二平凸透镜(3)，所述第一平凸透镜(2)和所述第二平凸透镜(3)的焦点不同，所述光束通过所述第一平凸透镜(2)和所述第二平凸透镜(3)实现扩束准直。

5.根据权利要求4所述的多通道全光法极弱磁场检测装置，其特征在于，所述光学4F***包括依次光路设置的第三平凸透镜(6)、第四平凸透镜(8)、第五平凸透镜(9)和第六平凸透镜(11)，所述第三平凸透镜(6)、第四平凸透镜(8)、第五平凸透镜(9)和第六平凸透镜(11)的焦距相同，所述碱金属原子气室(10)设置于所述第五平凸透镜(9)和所述第六平凸透镜(11)之间。

6.根据权利要求5所述的多通道全光法极弱磁场检测装置，其特征在于，所述光学4F***内还设有用于对所述光束滤波的小孔光阑(7)，所述小孔光阑(7)设于所述第三平凸透镜(6)和所述第四平凸透镜(8)之间。

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