[發明專利]一種用于全光光泵磁力儀的原子磁傳感器

有效

• 申請號: 201510093696.1
• 申請日: 2015-03-02
• 公開（公告）號: CN104698404B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 郭弘;彭翔;吳騰;林再盛;公韋
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

本發明提供一種用于激光光泵磁力儀的原子磁傳感器，在一光路上依次包括：一偏振波片，一光強衰減器，一液晶組件，一原子氣室，及光電探測器。通過對傳統全光光泵磁力儀的原子磁傳感器模塊內部添加液晶組件，并實時調整加載在液晶組件上的電壓幅值，來控制線偏振激光的偏振方向，使其滿足與外磁場始終保持垂直，從而實現對全光光泵磁力儀方向誤差及測量盲區問題的消除。

技術領域

本發明涉及原子磁傳感器，特別涉及一種能夠消除激光光泵原子磁力儀中由于磁傳感器相對于待測磁場的方向變化所導致的方向誤差及測量盲區問題。

背景技術

磁力儀是對測量外界磁場大小的儀器的統稱，具有高探測靈敏度的磁力儀被廣泛的使用在生物醫學、地球物理以及軍事國防等領域。光泵原子磁力儀是目前發展最成熟的高靈敏度磁力儀之一，其中，激光由于單色性好、選擇特性優良等優勢，利用其作為磁力儀的光源，能夠極大程度地提升磁力儀系統的性能指標，因而成為國內外的研究熱點。與國外先進的光泵磁探測相比，國內的技術水平相對落后，因此，發展高靈敏度的光泵磁探測技術，將具有重要意義。

光泵磁力儀實現磁場測量的基本原理如下：在一定大小的外磁場下，原子的能級會產生分裂，分裂成一系列等距離分布的磁子能級，相鄰磁子能級之間的頻率間隔正比于外磁場的大小。傳統的激光光泵磁力儀即通過不同的方式得到包含有磁場信息的磁共振信號，利用該信號得到相鄰磁子能級之間的頻率間隔，進而實現對外磁場大小的測量。

光泵磁力儀系統主要由三個模塊構成，分別為激光光源模塊，原子磁傳感器模塊、磁共振信號檢測模塊。對于不同種類的光泵磁力儀，上述三個模塊分別具有不同的結構。本發明主要針對基于全光方式的光泵磁力儀(以下簡稱全光光泵磁力儀)，即系統只通過激光來獲取實現磁場測量功能的磁共振信號。

傳統的全光光泵磁力儀，其內部三個模塊的具體組成及功能簡述如下。一)激光光源模塊。該模塊主要包括激光光源(產生具有特定波長、強度以及頻譜寬度的激光光束)、激光強度調制器(用于對激光的強度進行一定頻率的調制)。激光光源產生的激光通過激光強度調制器，激光光強將被進行一定頻率的調制，調制信號來源于磁共振信號檢測模塊。二)原子磁傳感器模塊。該模塊內部主要包括光束準直系統(用于控制激光光束的大小以及發散情況)、光學系統(包括若干光學元器件，用于對激光的偏振狀態進行控制)、原子氣室(一般為充有一定原子氣體的玻璃泡)以及光電探測元件(用于探測經過原子氣室后的激光光信號，并將光信號轉換為電信號輸出)。激光光源模塊產生的激光光束經過光束準直系統進行擴束、準直后，經過一定光學偏振元件，將轉化為具有一定偏振狀態的光束，如圓偏振光或線偏振光。偏振光再入射原子氣室，與原子氣室內部的原子進行相互作用，透射出原子氣室，被置于原子氣室后面的光電探測元件進行探測，將光信號轉化為電信號輸出值磁共振信號檢測模塊。三)磁共振信號檢測模塊。其內部主要包括磁共振信號處理模塊(用于對光電元件轉化的電信號進行處理，如濾波、放大、鑒相等)、信號發生模塊(用于產生頻率、幅值可調的正弦信號或方波信號)、信號控制模塊(根據處理后的磁共振信號，控制調制信號的頻率或幅值)、磁探測結果顯示模塊(用于顯示磁場探測結果)。調制信號發生模塊產生頻率可調的調制信號，輸入至激光光源模塊的激光強度調制器，對激光強度進行調制。原子磁傳感器模塊將轉化的包含有待測磁場信號的磁共振電信號輸入至磁共振信號處理模塊，利用其內部的濾波、放大、鎖相、鑒相等信號處理功能，實現磁共振信號的提取。調制信號控制模塊則通過提取的磁共振信號，利用其內部的反饋控制系統，對輸出的調制信號的頻率及幅值進行控制及鎖定，并將鎖定后的頻率值換算為磁場值進行顯示輸出。

光泵磁力儀實現磁場測量，需要保證磁力儀能夠與外磁場之間滿足一定的夾角關系，對于全光光泵磁力儀亦是如此。如果夾角關系不滿足，一方面會減小磁共振信號的幅值，在某些情況下，甚至探測不到磁共振信號(即測量盲區)，系統則無法正常工作。另外，即使外磁場不變，夾角的改變也會改變磁場的探測結果(及方向誤差)。因此，減小由于磁傳感器相對于待測磁場的方向變化所導致的方向誤差及測量盲區問題，對提高全光光泵磁力儀在運動平臺下的探測性能指標，具有重要意義。

發明內容