[發明專利]光學高靈敏度磁力儀、探頭及磁場測量方法

在審

• 申請號: 201710684536.3
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107479009A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 李曙光
• 申請（專利權）人: 浙江科技學院
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 杭州千克知識產權代理有限公司33246
• 代理人: 趙芳,周希良

技術領域

本發明屬于磁力儀技術，尤其涉及一種光學高靈敏度磁力儀、探頭及磁場測量方法。

背景技術

微弱磁場測量是一項非常重要的技術。在許多領域如空間地球物理、工業無損檢測、醫學、基礎科學研究等都有著廣泛應用。相對于磁通門磁力儀、超導干涉磁力儀、質子磁力儀等現有的儀器，基于光學原理的磁力儀具有靈敏度高、無接觸、不需要強場激勵、被動探測、不需高溫等優點，具有很高的理論和應用價值，其中如基于偏振面旋轉的光學磁力儀等微弱磁場測量儀器是近年來受到關注的一種磁力儀，其基本原理是，由一束高功率的共振激光對某些堿金屬原子進行極化，然后使用另外一束激光探測原子在磁場中的進動，根據探測光偏振面的旋轉變化得到待測磁場的大小。由于該類儀器會涉及到大量的光學和測量技術，因此其靈敏度具有較大的改進空間。

在提高光學磁力儀靈敏度的各種途徑中，用于放置原子的密閉泡的設計和具體的光路設計很關鍵，而在基于偏振面旋轉的光學磁力儀中，若在體積一定的氣室中增加光與原子作用的有效長度，可實現大的偏振面偏轉角度、改善信噪比并提升靈敏度和穩定性。其中在激光器中常用的光學諧振腔可大幅提高有效光程，并用于許多基礎研究中例如吸收光譜、原子干涉儀等，但其特點是模式有限，光路重合，采樣的原子數非常有限，對靈敏度的提升非常有限。

除此之外，在光學磁力儀的研究進展中，除了對靈敏度要求較高，同時還對探頭部分的體積提出了要求，因此當前迫切需要一種既能夠有效增加有效光程，又能夠提高空間采樣率、簡化裝置結構和操作方法的方案，且實際實現的裝置足夠穩定，使得偏振面旋轉角度、信號噪聲比獲得顯著提高，最終較大地提高光學磁力儀的靈敏度。

為了解決上述技術問題，人們進行了長期的探索，例如中國專利公開了一種高靈敏度全光銫原子磁力儀[申請號：CN103558566A]，包括磁屏蔽筒，磁屏蔽筒內放置有Cs原子氣室，在Cs原子氣室周圍放置三軸亥姆霍茲線圈；磁屏蔽筒上分別設有泵浦光口、檢測光口和出射光口；泵浦光口外側對應設有泵浦光激光器以及對泵浦光的幅度進行方波調制的電光調制器，泵浦光激光器的頻率鎖定在Cs原子D1線Fg＝3→Fe＝4共振線處；檢測光口外側對應設有檢測光激光器，檢測光激光器的頻率鎖定在Cs原子D2線Fg＝4→Fe＝5共振線處，被調制的泵浦光經擴束器進行擴束后，采用偏振片和λ/4波片變成圓偏振光照射Cs原子氣室；出射光口外側對應設有檢測裝置；檢測裝置檢測圓二向色性介質導致的偏振光的偏振面旋轉，經轉換電路后做差、放大、濾波后，利用鎖相放大器測量輸出信號；所述的Cs原子氣室為長方體，其中4個用于通過檢測光形成反射的表面除檢測光的入射光和出射光局部均鍍上保偏膜，另外兩個用于通過泵浦光的表面不鍍膜；檢測光激光器發射的檢測光經偏振片和小孔光闌進入Cs原子氣室，在氣室各表面經多次反射后出射，出射光的偏振面將旋轉一個角度。

上述方案雖然在一定程度上提高了靈敏度，但是仍然存在諸多不足：1、光路穩定性下降；2：沒有實現使光與原子作用的有效長度延長；2、在提高靈敏度的同時付出了使結構復雜化的代價，增加了裝置的成本，降低了裝置實用性；3、磁力儀探頭采用了屏蔽層，使該裝置不能工作在地磁場環境中，功能受到限制。

發明內容

本發明的目的是針對上述問題，提供一種能夠延長光與原子作用的有效長度的光學高靈敏度磁力儀探頭；

本發明的另一目的是針對上述問題，提供一種采用光學高靈敏度磁力儀探頭的光學高靈敏度磁力儀；

本發明的另一目的是針對上述問題，提供一種能夠提高靈敏度的磁場測量方法。

為達到上述目的，本發明采用了下列技術方案：

一種光學高靈敏度磁力儀探頭，包括探頭本體和位于探頭本體內部中央位置的玻璃密閉泡，所述的玻璃密閉泡內具有堿金屬氣體，所述的探頭本體內部兩端分別具有相互平行設置的第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡，所述的第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡的相對面均具有向內凹陷且向兩端延伸的柱狀內凹圓弧面，且兩個柱狀內凹圓弧面之間圍繞第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡的共同軸線成一旋轉夾角，所述的第一柱面反射鏡上具有一透光區，所述的探頭本體上位于玻璃密閉泡的上方具有一泵浦光口，所述的探頭本體側面位于靠近第一柱面處開設有與透光區相對應的檢測光口。

通過上述技術方案，使第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡上的柱狀內凹圓弧面之間形成一旋轉夾角從而使通過透光區進入的探測光能夠在第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡之間實現多次反射以使探測光在玻璃密閉泡內的有效路程顯著增加從而提高靈敏度。