[发明专利]一种用于全光光泵磁力仪的原子磁传感器

说明书

本发明提供一种用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，在一光路上依次包括：一偏振波片，一光强衰减器，一液晶组件，一原子气室，及光电探测器。通过对传统全光光泵磁力仪的原子磁传感器模块内部添加液晶组件，并实时调整加载在液晶组件上的电压幅值，来控制线偏振激光的偏振方向，使其满足与外磁场始终保持垂直，从而实现对全光光泵磁力仪方向误差及测量盲区问题的消除。

技术领域

本发明涉及原子磁传感器，特别涉及一种能够消除激光光泵原子磁力仪中由于磁传感器相对于待测磁场的方向变化所导致的方向误差及测量盲区问题。

背景技术

磁力仪是对测量外界磁场大小的仪器的统称，具有高探测灵敏度的磁力仪被广泛的使用在生物医学、地球物理以及军事国防等领域。光泵原子磁力仪是目前发展最成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中，激光由于单色性好、选择特性优良等优势，利用其作为磁力仪的光源，能够极大程度地提升磁力仪系统的性能指标，因而成为国内外的研究热点。与国外先进的光泵磁探测相比，国内的技术水平相对落后，因此，发展高灵敏度的光泵磁探测技术，将具有重要意义。

光泵磁力仪实现磁场测量的基本原理如下：在一定大小的外磁场下，原子的能级会产生分裂，分裂成一系列等距离分布的磁子能级，相邻磁子能级之间的频率间隔正比于外磁场的大小。传统的激光光泵磁力仪即通过不同的方式得到包含有磁场信息的磁共振信号，利用该信号得到相邻磁子能级之间的频率间隔，进而实现对外磁场大小的测量。

光泵磁力仪系统主要由三个模块构成，分别为激光光源模块，原子磁传感器模块、磁共振信号检测模块。对于不同种类的光泵磁力仪，上述三个模块分别具有不同的结构。本发明主要针对基于全光方式的光泵磁力仪(以下简称全光光泵磁力仪)，即系统只通过激光来获取实现磁场测量功能的磁共振信号。

传统的全光光泵磁力仪，其内部三个模块的具体组成及功能简述如下。一)激光光源模块。该模块主要包括激光光源(产生具有特定波长、强度以及频谱宽度的激光光束)、激光强度调制器(用于对激光的强度进行一定频率的调制)。激光光源产生的激光通过激光强度调制器，激光光强将被进行一定频率的调制，调制信号来源于磁共振信号检测模块。二)原子磁传感器模块。该模块内部主要包括光束准直系统(用于控制激光光束的大小以及发散情况)、光学系统(包括若干光学元器件，用于对激光的偏振状态进行控制)、原子气室(一般为充有一定原子气体的玻璃泡)以及光电探测元件(用于探测经过原子气室后的激光光信号，并将光信号转换为电信号输出)。激光光源模块产生的激光光束经过光束准直系统进行扩束、准直后，经过一定光学偏振元件，将转化为具有一定偏振状态的光束，如圆偏振光或线偏振光。偏振光再入射原子气室，与原子气室内部的原子进行相互作用，透射出原子气室，被置于原子气室后面的光电探测元件进行探测，将光信号转化为电信号输出值磁共振信号检测模块。三)磁共振信号检测模块。其内部主要包括磁共振信号处理模块(用于对光电元件转化的电信号进行处理，如滤波、放大、鉴相等)、信号发生模块(用于产生频率、幅值可调的正弦信号或方波信号)、信号控制模块(根据处理后的磁共振信号，控制调制信号的频率或幅值)、磁探测结果显示模块(用于显示磁场探测结果)。调制信号发生模块产生频率可调的调制信号，输入至激光光源模块的激光强度调制器，对激光强度进行调制。原子磁传感器模块将转化的包含有待测磁场信号的磁共振电信号输入至磁共振信号处理模块，利用其内部的滤波、放大、锁相、鉴相等信号处理功能，实现磁共振信号的提取。调制信号控制模块则通过提取的磁共振信号，利用其内部的反馈控制系统，对输出的调制信号的频率及幅值进行控制及锁定，并将锁定后的频率值换算为磁场值进行显示输出。

光泵磁力仪实现磁场测量，需要保证磁力仪能够与外磁场之间满足一定的夹角关系，对于全光光泵磁力仪亦是如此。如果夹角关系不满足，一方面会减小磁共振信号的幅值，在某些情况下，甚至探测不到磁共振信号(即测量盲区)，系统则无法正常工作。另外，即使外磁场不变，夹角的改变也会改变磁场的探测结果(及方向误差)。因此，减小由于磁传感器相对于待测磁场的方向变化所导致的方向误差及测量盲区问题，对提高全光光泵磁力仪在运动平台下的探测性能指标，具有重要意义。

发明内容