[发明专利]一种波长自动锁定的激光铯光泵原子磁力仪

说明书

技术领域

本发明涉及磁探技术领域，尤其涉及一种波长自动锁定的激光铯光泵原子磁力仪。

背景技术

磁场无处不在，大到宇宙空间、星系、黑洞、恒星、行星，小到生物器官、电子芯片、原子都存在磁场。磁力仪是一种可测量其所处位置磁场值、磁场梯度、磁倾角、磁偏角的仪器，可用于勘探地质、矿产、古遗址，检测金属产品内部缺陷，探测水下磁异常目标等。俄罗斯曾用磁力仪成功预报了地震，对预防重大灾害有重要意义，高灵敏度的磁力仪可用于诊断脑部和心脏疾病。磁力仪按原理可分为磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、原子磁力仪、超导磁力仪等，它们的静态灵敏度分别为0.1nT/√Hz、50pT/√Hz、pT/√Hz、fT/√Hz量级。其中，原子磁力仪具有体积小、灵敏度高、工作于常温的优势，可广泛应用于航天、航空、海洋等领域。

铯光泵原子磁力仪是通过测量Cs¹³³原子磁距在磁场中的进动频率从而计算出磁场值的仪器。对一个原子系统，当存在静磁场B时，原子磁距绕磁场方向进行进动，且进动频率为W_L＝rB，其中r＝3.498577,为Cs¹³³原子的旋磁比。只要测量出原子的进动频率W_L，就可计算出磁场值B。为了测出原子的进动频率W_L，波长894.6nm光将原子吸收室内铯原子泵浦到高能级后，射频驱动铯原子的进动相位一致从而产生磁共振，磁共振对光强有调制作用，所以光探测器探测到的光强变化频率即为原子进动频率W_L。

激光具有线宽窄、功耗小、相干性好的优点，可显著提高铯光泵磁力仪的灵敏度。以激光为光源、以Cs¹³³为工作介质的激光铯光泵磁力仪具有结构简单、性能稳定、体积小、功耗小、灵敏度高的特点，在国内尚属空白产品。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种波长自动锁定的激光铯光泵原子磁力仪。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，这种波长自动锁定的激光铯光泵原子磁力仪，它包括光系组件及电子组件，光系组件与电子组件之间通过电缆连接，所述光系组件包括半导体激光管、偏振片、波片、铯原子吸收室及光探测器，半导体激光管由激光芯片、热敏电阻及TEC芯片无磁封装而成，铯原子吸收室外壁贴有热敏电阻，外部绕有双绞线加热线圈及射频线圈，且两线圈间有绝缘材料隔离；半导体激光管发射激光，经偏振片和波片后成为圆偏振光，再经铯原子吸收室，被磁共振状态的铯原子调制后照射光探测器产生光电信号输出；所述电子组件包括TEC驱动、激光驱动、微处理器、计数器、移相器、温控器及放大器，微处理器通过TEC驱动和激光驱动控制半导体激光管的输出波长连续改变，且根据波长与光电信号的关系将波长锁定在铯原子的D1线上后，启动移相器、射频线圈、铯原子吸收室、光探测器、放大器及微处理器构成的自激震荡回路开始工作，自激震荡回路输出到计数器的信号频率与外部磁场成正比，信号频率与旋磁比的比值即为磁场值；温控器控制铯原子吸收室的温度。

所述半导体激光管发射激光的中心波长为894.6nm。

所述铯原子吸收室为直径不大于25.4mm、长度不大于25.4mm的圆柱体且内壁有镀膜。

所述微处理器与TEC驱动、激光驱动、半导体激光管、铯原子吸收室、光探测器及放大器构成激光锁频闭环，与移相器、射频线圈、铯原子吸收室、光探测器及放大器构成自激震荡回路。

所述铯原子吸收室外部射频线圈的磁场方向与光轴平行。

使用线宽窄、相干性好的激光作为泵浦光和检测光，原子驰豫时间长的镀膜铯原子吸收室作为磁共振发生器提高了磁力仪的灵敏度。

本发明的有益效果为：本发明灵敏度可达0.6pT/√Hz，可在20000nT-70000nT量程范围内连续工作，整个光系组件的直径不超过26mm,长度不超过70mm；它具有结构简单、性能稳定、体积小、功耗小、灵敏度高的特点。

附图说明

图1为本发明外形图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明半导体激光管结构示意图；

图4为本发明铯原子吸收室外部线圈结构示意图；

图5为本发明激光管温度控制结构示意图；

图6为本发明铯原子吸收室温度控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明内容。

参阅图1，本发明由光系组件1和电子组件2组成，之间通过电缆连接。