[發明專利]液晶相位補償的自激式原子磁傳感器及磁場測量方法

有效

• 申請號: 201811044040.0
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109188316B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 郭弘;彭翔;毛心旻;王海東
• 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: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

1.一種液晶相位補償的自激式原子磁傳感器，可用于磁力儀；包括垂直于磁場方向的泵浦光光路、沿磁場方向的探測光光路和電路閉環部分；其中：

泵浦光光路依次包括：原子氣室、第一偏振片、聲光調制器、激光器；激光器發出光束，通過分束器將激光器發出的光束分為兩束激光，分別為泵浦光和探測光；

在泵浦光光路的第一偏振片和聲光調制器之間，還包括一擴束器，通過調整擴束器調節泵浦光的光斑大小；

探測光光路依次包括：光電探測器、泵浦光光路中的原子氣室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片、泵浦光光路中的激光器；通過調解液晶的電壓輸入調節探測光的相位，實現相位補償；

電路閉環部分包括：探測光光路中的光電探測器、放大比較器、電源驅動、泵浦光光路中的聲光調制器和計數器；

所述原子氣室用于利用泵浦光對原子氣室內原子進行光泵浦，產生塞曼能級分裂；所述第一偏振片用于調整泵浦光的偏振狀態；所述聲光調制器和激光器用于發出可調制的泵浦光；

所述光電探測器用于將光信號轉化為電信號；利用探測光探測原子氣室的極化狀態；探測光通過第一1/4波片后將線偏振光變為圓偏振光，通過液晶改變圓偏振光x分量和y分量的相位關系，再通過第二1/4波片變回線偏振光；第一1/4波片-液晶-第二1/4波片模塊用于更精確地調整線偏振光的相位狀態，從而控制相位滿足自激相位條件；第二偏振片用于調整探測光的偏振狀態；激光器用于發出探測光；

電路閉環部分中，探測光路中的光電探測器用于采集交流信號；放大比較器用于將光電探測器給出的交流正弦信號放大并轉換成后續電路可以使用的方波信號；電源驅動用于調制聲光調制器；所述計數器用于計數得到頻率信號，利用旋磁比對頻率信號進行換算，由此得到磁場信號。

2.如權利要求1所述液晶相位補償的自激式原子磁傳感器，其特征是，激光器為1083nm的半導體激光器；第一偏振片和第二偏振片均為中心波長為1083nm的偏振片；第一1/4波片和第二1/4波片均為中心波長為1083nm的1/4波片；液晶為中心波長為1083nm的液晶；聲光調制器的中心波長為1083nm；光電探測器為能夠響應1083nm中心波長光信號的InGaAs光電管。

3.如權利要求1所述液晶相位補償的自激式原子磁傳感器，其特征是，電源驅動的輸出為5V方波；比較放大器可調整參考電壓，將正弦波轉化為方波。

4.如權利要求1所述液晶相位補償的自激式原子磁傳感器，其特征是，計數器為可響應10MHz的計數器。

5.如權利要求1所述液晶相位補償的自激式原子磁傳感器，其特征是，原子氣室是其底面直徑為50mm，高為70mm的圓柱體玻璃氣泡，內部充氦原子⁴He氣體，氣壓為1Torr。

6.一種利用權利要求1所述液晶相位補償的自激式原子磁傳感器測量磁場的方法，在垂直于磁場方向的泵浦光光路上依次布置原子氣室、第一偏振片、擴束器、聲光調制器和激光器；沿磁場方向的探測光光路依次包括光電探測器、泵浦光路中的原子氣室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片和泵浦光光路中的激光器；在電路閉環部分依次布置探測光光路中的光電探測器、放大比較器、電源驅動器、泵浦光光路中的聲光調制器和計數器；

測量磁場包括以下步驟：

1)從激光器發出一束激光，經過聲光調制器調制，形成一束被調制的泵浦光，依次經過擴束器和第一偏振片；通過擴束器擴大光斑增大信號，通過第一偏振器調節激光偏振性；然后經泵浦光光路并通過原子氣室，對原子氣室中的原子進行極化；

2)從激光器通過分光器件發出另一束激光為探測光，沿著磁場方向經過探測光光路并通過原子氣室，攜帶有磁場信息的探測光信號匯聚于光電探測器上；

3)從光電探測器中得到的調制交流信號經過比較放大器，形成一個調制的方波信號；

4)形成的調制方波信號分為兩路；第一路進入電源驅動器，電源驅動器驅動聲光調制器對探測光進行調制，完成閉環；

5)形成的調制方波信號第二路進入計數器，計數得到頻率值，通過原子的旋磁比系數對頻率信號進行換算，由此得到磁場信息。