CN210376655U - 一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块、信号分析控制模块和泵浦光路模块；所述多程环形光腔模块用于实现探测激光多次往返通过原子气室，所述探测光路模块用于实现对磁场内原子自旋进动状态的探测过程并将光信号转化为电压信号，所述磁场控制模块用于对原子屏蔽外部环境磁场并产生功能磁场，所述信号分析控制模块用于读取和分析原子自旋进动状态的电压信号并反馈输出磁场控制信号，所述泵浦光路模块用于为原子气室提供泵浦光。本实用新型通过多次反射探测激光延长了原子介质对探测激光的作用距离，增强了信号输出信号强度，进而提高了光泵原子磁力仪的磁场探测灵敏度。

Description

一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪

技术领域

本实用新型涉及磁场测量技术领域，特别地，涉及一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪。

背景技术

高精度磁力仪在医疗诊断、空间科学、矿藏勘探以及军事反潜等技术领域具有非常广泛的应用。原子磁力仪作为目前高精度磁力仪的主流代表，其基本工作原理是利用激光读出原子自旋的运动状态，而该运动状态又与原子所处环境的磁场大小密切相关；具体地，由于非零的原子自旋具有磁矩，在磁场作用下会受到扭矩的作用从而以固定的频率绕磁场线方向进动，且该进动频率与磁场强度的大小成正比，因此可以通过观测原子自旋的进动频率得到原子所处环境的磁场数据。因此原子磁力仪也被称为光学磁力仪，根据具体测量原理的不同，原子磁力仪可被划分为质子磁力仪、CPT原子磁力仪、金刚石色心原子磁力仪和光泵原子磁力仪等类别。

对于光泵原子磁力仪，其测量原理如下：出射的线偏振激光通过极化的原子自旋后，激光的线偏振方向会发生法拉第旋转，转过的角度被称为法拉第旋转角，由于法拉第旋转角的大小正比于原子自旋产生的磁场强度大小以及激光通过介质的光程长度大小，因此光泵原子磁力仪可根据线偏振激光产生的法拉第旋转角读出原子自旋的进动频率，从而得到待测磁场的强度数据。

现有的光泵原子磁力仪由于受到设备体积的限制，其原子气室中的原子介质对于探测激光的作用距离(即光程长度)也有限，因此探测激光在线偏振方向产生的法拉第旋转角小，光泵原子磁力仪输出的信号强度弱，大大限制了磁场探测的灵敏度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种增大激光通过原子介质的光程长度并提高磁场探测灵敏度的光泵原子磁力仪，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块和信号分析控制模块；

所述多程环形光腔模块包括原子气室、入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜，所述入射腔镜和出射腔镜分别设置在原子气室的探测激光入射光路和探测激光出射光路上，所述第一反射镜用于实现探测激光在入射腔镜和出射腔镜之间的来回反射，通过入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜间方位的配合实现探测激光多次往返通过原子气室；

所述探测光路模块包括探测激光器、第二偏振分光镜、第一光电探测器和第二光电探测器，所述探测激光器用于向入射腔镜发射探测激光，所述第二偏振分光镜用于将从出射腔镜射出的探测激光分为两束光功率相等的激光A和激光B，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别设置在激光A和激光B的光路上并用于将光信号转化为电压信号；

所述磁场控制模块包括围绕原子气室设置的磁场线圈以及用于控制磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源，通过所述磁场线圈实现对原子的屏蔽外部环境磁场以及施加功能磁场；

所述信号分析控制模块与第一光电探测器、第二光电探测器、磁场驱动源分别连接，通过分析来自两个光电控制器的信号解算出原子自旋感受到的磁场强度数据并发出磁场控制信号。

优选地，所述信号分析控制模块包括差分电路和数据处理服务器，所述差分电路与第一光电探测器、第二光电探测器的信号输出端连接，并用于对来自两个光电探测器的输出信号做差分运算，所述数据处理服务器与差分电路、磁场驱动源分别连接，并用于接收来自差分电路的运算结果进行磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。

优选地，还包括用于为原子气室提供泵浦光的泵浦光路模块，所述泵浦光路模块包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器以及用于将线偏振激光转化为圆偏振激光的四分之一波片。

优选地，在所述原子气室内，泵浦激光的光路与探测激光的光路垂直设置。

优选地，所述泵浦光路模块还包括设置在四分之一波片和原子气室之间的扩束镜，泵浦激光由所述扩束镜扩束后辐照整个原子气室。

优选地，所述泵浦光路模块还包括第三偏振分光镜和泵浦激光控制器，所述第三偏振分光镜用于将从泵浦激光器射出的泵浦激光分为主光束和参考光束，其中主光束作为射入原子气室的泵浦光，参考光束反馈给泵浦激光控制器实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定；

所述探测光路模块还包括第一偏振分光镜和探测激光控制器，所述第一偏振分光镜用于将从探测激光器射出的探测激光分为主光束和参考光束，其中主光束射入原子气室中探测原子自旋的进动状态，参考光束反馈给探测激光控制器实现对探测激光频率和功率的选择及稳定。

优选地，所述原子气室的泵浦激光出射光路与第一反射镜的位置重合，所述泵浦光路模块还包括光隔离器，所述光隔离器设置在原子气室的泵浦激光出射光路上且位于原子气室和第一反射镜之间，用于避免泵浦光因反射作用返回原子气室进而造成原子自旋极化损失。

优选地，所述泵浦光路模块还包括用于实现光路紧凑的第二反射镜。

优选地，所述第一反射镜的数量为多个；所述入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜的反射角度均可单独调节。

优选地，所述差分电路与数据处理服务器之间、所述数据处理服务器与磁场驱动源之间通过数据传输线连接。

本实用新型提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本实用新型利用原子气室、入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜构成多程环形光腔，探测激光在入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜之间来回反射并多次往返通过原子气室，延长了原子气室中原子介质对探测激光的作用距离，增大了探测激光线偏振方向的法拉第旋转角，进而增强了光泵原子磁力仪输出信号的强度，大大提高了光泵原子磁力仪的磁场探测灵敏度。

2、本实用新型通过设置方位可调的入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜，可实现对探测激光在多程环形光腔中行进路线的调整，使得本实用新型构造的多程环形光腔结构适用于各种不同形状的原子气室，实现对磁场的高精度测量。

3、本实用新型通过施加光泵浦手段使原子气室内的大量原子处于相同的状态，此时原子自旋获得相同的指向，可有效提高光泵原子磁力仪的提高信号强度；本实用新型通过设置光隔离器，使得射出的泵浦激光不会照射在多程环形光腔模块的第一反射镜上，进而避免产生因反射作用导致泵浦光返回原子气室造成原子自旋极化损失的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本实用新型实施例1中光泵原子磁力仪的模块连接示意图；

图2是本实用新型实施例1中光泵原子磁力仪的结构示意图；

图中：11原子气室，12入射腔镜，13出射腔镜，14第一反射镜；21探测激光器，22第一偏振分光镜，23探测激光控制器，24第二偏振分光镜，25第一光电探测器，26第二光电探测器；31磁场线圈，32磁场驱动源；41差分电路，42数据处理服务器；51泵浦激光器，52第三偏振分光镜，53泵浦激光控制器，54第二反射镜，55四分之一波片，56扩束镜，57光隔离器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

参见图1～2(图中箭头为激光经过方向或信号传输方向)，一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块、信号分析控制模块和泵浦光路模块。

所述多程环形光腔模块包括原子气室11、入射腔镜12、出射腔镜13和第一反射镜14。所述原子气室11为密闭的透光气室，其内部封装有碱金属原子蒸汽和氮气，所述入射腔镜12和出射腔镜13分别设置在原子气室11的探测激光入射光路和探测激光出射光路上，所述用于实现探测激光在入射腔镜12和出射腔镜13之间的来回反射。

具体地，所述入射腔镜12和出射腔镜13在均在其轴线附近区域(即半径1mm的圆形范围内)内镀制增透膜，其余区域则均镀制高反膜。探测激光通过入射腔镜12的增透膜区域进入多程环形光腔，探测激光在光腔内折返运行时，激光的反射落点一直处于入射腔镜12和出射腔镜13的高反膜区域内，直至探测激光照射在出射腔镜13的增透膜区域并离开多程环形光腔。

在本实施例中，所述第一反射镜14的数量为一个且位于入射腔镜12和出射腔镜13间连线的中轴线上，所述第一反射镜14与入射腔镜12、出射腔镜13在位置上配合形成等边三角形结构，通过入射腔镜12、出射腔镜13和第一反射镜14间反射角度的配合，使得探测激光在三者间来回反射，进而实现探测激光多次往返通过原子气室11。

在本实施例中，所述入射腔镜12、出射腔镜13和第一反射镜14对于探测激光的反射方向均可单独调节，可实现对探测激光在多程环形光腔中行进路线的调整。

所述探测光路模块包括探测激光器21、第一偏振分光镜22、探测激光器控制器23、第二偏振分光镜24、第一光电探测器25和第二光电探测器26。所述探测激光器21用于向入射腔镜12发射探测激光，所述第一偏振分光镜22用于将从探测激光器11射出的探测激光分为主光束和参考光束，其中参考光束反馈给探测激光控制器23并用于实现对探测激光频率和功率的选择及稳定，而主光束则射入原子气室11中用于探测原子自旋的进动状态，主光束在多程环形光腔中多次反射后从出射腔镜13射出，并被第二偏振分光镜24分为两束光功率相等的激光A和激光B，所述第一光电探测器25和第二光电探测器26分别设置在激光A和激光B的光路上并用于将原子自旋检测的光信号转化为电压信号。

所述磁场控制模块包括围绕原子气室11设置的磁场线圈31以及用于控制磁场线圈31产生磁场强度的磁场驱动源32。通过所述磁场线圈31实现对原子的外部环境磁场屏蔽和功能磁场施加，所述功能磁场的施加过程即为产生光泵原子磁力仪所需的交变激励磁场，磁场的交变频率等于原子自旋在探测磁场作用下的自旋进动频率。

所述信号分析控制模块包括差分电路41和数据处理服务器42。所述差分电路41与第一光电探测器25、第二光电探测器26的信号输出端连接，并用于对来自两个光电探测器的输出信号做差分运算，所述数据处理服务器42与差分电路41、磁场驱动源32分别连接，并用于接收来自差分电路41的运算结果进行磁场信号解算且向磁场驱动源32发出对应的磁场控制信号。

在本实施例中，所述差分电路41与数据处理服务器42之间、所述数据处理服务器42与磁场驱动源32之间通过数据传输线连接。所述数据处理服务器42为计算机。

所述泵浦光路模块包括泵浦激光器51、第三偏振分光镜52、泵浦激光控制器53、第二反射镜54、四分之一波片55和扩束镜56。所述泵浦激光器51用于发射泵浦激光，所述第三偏振分光镜52用于将从泵浦激光器51射出的泵浦激光分为主光束和参考光束，其中参考光束反馈给泵浦激光控制器53并用于实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定，而主光束则依次经过所述第二反射镜54、四分之一波片55和扩束镜56后射入原子气室11中作为泵浦光，所述四分之一波片55用于将线偏振激光转化为圆偏振激光，所述扩束镜56用于将泵浦激光扩束后辐照整个原子气室。

在本实施例中，在所述原子气室11内，泵浦激光的光路与探测激光的光路垂直设置，且所述原子气室11也位于位于入射腔镜12和出射腔镜13间连线的中轴线上，因此，原子气室的泵浦激光出射光路与第一反射镜14的位置正好重合。

为了避免泵浦光因反射作用返回原子气室进而造成原子自旋极化损失，在本实施例中，所述泵浦光路模块还包括光隔离器57，所述光隔离器57设置在原子气室11的泵浦激光出射光路上且位于原子气室11和第一反射镜14之间。

本实施例中基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其工作过程如下：

1)按照激光经过顺序以及设备间连接关系将光泵原子磁力仪组装好；

2)所述泵浦激光器51射出的泵浦激光经过第三偏振分光镜53后分为主光束和参考光束，其中参考光束反馈给泵浦激光控制器53，所述泵浦激光控制器53向泵浦激光器51发出调控信号，主光束经过第二反射镜54和四分之一波片55后由线偏振激光转化为圆偏振激光，再经过扩束镜56扩束后射入原子气室11中，从原子气室11射出的泵浦光被光隔离器57阻挡；

3)所述探测激光器21射出的探测激光经过第一偏振分光镜22后分为主光束和参考光束，其中参考光束反馈给探测激光控制器23，所述探测激光控制器23向探测激光器21发出调控信号，主光束通过入射腔镜12射入多程环形光腔中；

4)调整入射腔镜12、出射腔镜13以及第一反射镜14的反射方向，使探测激光的主光束在入射腔镜12、出射腔镜13和第一反射镜14之间来回反射，在此过程中探测激光多次经过原子气室11并实现对原子气室中原子自旋进动状态的探测，探测激光最终通过出射腔镜13射出；

5)射出的探测激光经过偏振分光镜24后分为两束光功率相等的激光A和激光B，且分别由第一光电探测器25和第二光电探测器26接收，通过光电探测器将光信号转化为电压信号；

6)所述差分电路41对来自两个光电探测器的输出电压信号做差分运算，运算结果输入数据处理服务器42，通过电压信号的变化频率得到原子自旋的进动频率，进行磁场信号的解算，从而得到原子自旋感受到的磁场强度大小，实现本实用新型光泵原子磁力仪对磁场的的高灵敏度探测；

7)此外，数据处理服务器42还输出磁场控制信号给磁场驱动源32，产生光泵原子磁力仪所需的交变激励磁场，磁场频率等于原子自旋在探测磁场作用下的自旋进动频率。

本实用新型利用多程环形光腔结构，使光泵原子磁力仪中的探测激光多次往返通过原子气室，延长了工作介质对探测激光的作用距离，增大了探测激光线偏振方向的法拉第旋转角，增强了光泵原子磁力仪的信号输出强度，实现了光泵原子磁力仪磁场探测灵敏度的提高。本实用新型结构简单，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。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。在本实用新型的精神和原则之内，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块和信号分析控制模块；

所述多程环形光腔模块包括原子气室(11)、入射腔镜(12)、出射腔镜(13)和第一反射镜(14)，所述入射腔镜(12)和出射腔镜(13)分别设置在原子气室(11)的探测激光入射光路和探测激光出射光路上，所述第一反射镜(14)用于实现探测激光在入射腔镜(12)和出射腔镜(13)之间的来回反射，通过入射腔镜(12)、出射腔镜(13)和第一反射镜(14)间方位的配合实现探测激光多次往返通过原子气室(11)；

所述探测光路模块包括探测激光器(21)、第二偏振分光镜(24)、第一光电探测器(25)和第二光电探测器(26)，所述探测激光器(21)用于向入射腔镜(12)发射探测激光，所述第二偏振分光镜(24)用于将从出射腔镜(13)射出的探测激光分为两束光功率相等的激光A和激光B，所述第一光电探测器(25)和第二光电探测器(26)分别设置在激光A和激光B的光路上并用于将光信号转化为电压信号；

所述磁场控制模块包括围绕原子气室(11)设置的磁场线圈(31)以及用于控制磁场线圈(31)产生磁场强度的磁场驱动源(32)，通过所述磁场线圈(31)实现对原子的屏蔽外部环境磁场以及施加功能磁场；

所述信号分析控制模块与第一光电探测器(25)、第二光电探测器(26)、磁场驱动源(32)分别连接，通过分析来自两个光电控制器的信号解算出原子自旋感受到的磁场强度数据并发出磁场控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述信号分析控制模块包括差分电路(41)和数据处理服务器(42)，所述差分电路(41)与第一光电探测器(25)、第二光电探测器(26)的信号输出端连接，并用于对来自两个光电探测器的输出信号做差分运算，所述数据处理服务器(42)与差分电路(41)、磁场驱动源(32)分别连接，并用于接收来自差分电路(41)的运算结果进行磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。

3.根据权利要求2所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，还包括用于为原子气室(11)提供泵浦光的泵浦光路模块，所述泵浦光路模块包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器(51)以及用于将线偏振激光转化为圆偏振激光的四分之一波片(55)。

4.根据权利要求3所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，在所述原子气室(11)内，泵浦激光的光路与探测激光的光路垂直设置。

5.根据权利要求4所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述泵浦光路模块还包括设置在四分之一波片(55)和原子气室(11)之间的扩束镜(56)，泵浦激光由所述扩束镜(56)扩束后辐照整个原子气室。

6.根据权利要求4所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述泵浦光路模块还包括第三偏振分光镜(52)和泵浦激光控制器(53)，所述第三偏振分光镜(52)用于将从泵浦激光器(51)射出的泵浦激光分为主光束和参考光束，其中主光束作为射入原子气室(11)的泵浦光，参考光束反馈给泵浦激光控制器(53)实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定；

所述探测光路模块还包括第一偏振分光镜(22)和探测激光控制器(23)，所述第一偏振分光镜(22)用于将从探测激光器(21)射出的探测激光分为主光束和参考光束，其中主光束射入原子气室(11)中探测原子自旋的进动状态，参考光束反馈给探测激光控制器(23)实现对探测激光频率和功率的选择及稳定。

7.根据权利要求4所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述原子气室(11)的泵浦激光出射光路与第一反射镜(14)的位置重合，所述泵浦光路模块还包括光隔离器(57)，所述光隔离器(57)设置在原子气室(11)的泵浦激光出射光路上且位于原子气室(11)和第一反射镜(14)之间，用于避免泵浦光因反射作用返回原子气室进而造成原子自旋极化损失。

8.根据权利要求6所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述泵浦光路模块还包括用于实现光路紧凑的第二反射镜(54)。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述第一反射镜(14)的数量为多个；所述入射腔镜(12)、出射腔镜(13)和第一反射镜(14)的反射角度均可单独调节。

10.根据权利要求2～8中任意一项所述的基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，其特征在于，所述差分电路(41)与数据处理服务器(42)之间、所述数据处理服务器(42)与磁场驱动源(32)之间通过数据传输线连接。

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