[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

本發明公布了一種液晶相位補償的自激式原子磁傳感器及其測量磁場的方法，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；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；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、第二偏振片和激光器；電路閉環部分包括光電探測器、放大比較器、電源驅動、聲光調制器、計數器。本發明設計液晶相位補償方案，結合光強調制磁力儀和自激式磁力儀，能夠避免電路線圈帶來的相移且實現更大范圍磁場的移相，解決電路移相不利的問題，響應速度快，適用各種原子，應用價值高。

技術領域

本發明涉及光泵磁力儀技術領域，尤其涉及一種液晶相位補償的自激式原子磁傳感器及在地磁場情況下各原子均適用的原子磁傳感器及利用該原子磁傳感器測量磁場的方法。

背景技術

磁力儀是磁場測量儀器的統稱。高靈敏度磁場測量技術在生物醫學、地球物理、空間探索以及軍事與國防等領域都有著廣泛且重要的應用。目前，國內外磁力測量研究水平差異顯著，國外先進水平的磁力儀在靈敏度指標等方面已遠超過我國。因此，自主研制高靈敏度磁力儀，具有戰略意義。光泵原子磁力儀是目前比較成熟的高靈敏度磁力儀之一，其中激光光泵原子磁力儀由于單色性好、選擇特性優良等優勢，能夠極大程度地提升性能指標，因而成為國內外研究熱點。

基于原子的磁光雙共振原理的激光光泵原子磁力儀，通常包含三個過程：光泵浦過程，極化原子在外磁場中演化，磁共振探測。需要物理部件包括激光光源、原子磁傳感器、磁共振信號檢測電路等部分。激光光源產生特定波長(使得原子磁傳感器內原子產生光泵浦作用的光頻率值)、強度與頻譜寬度的激光光束，一般需要穩頻及激光穩功率穩定裝置。原子磁傳感器包括若干光學偏振器件、原子氣室、亥姆霍茲線圈以及光電探測器：偏振器件通常為波片與偏振分束棱鏡等光學器件的組合，使得激光光源產生的激光光束具有特定的偏振方向以便于與原子發生角動量轉換，進而極化原子介質；原子氣室是充有一定壓強的原子氣體的波璃泡，具有特定偏振的激光光束入射至原子介質氣室，與氣室內原子相互作用極化原子；被光極化的原子介質在外磁場的作用下進行有規律的演化，纏繞于原子氣室周圍的亥姆赫茲線圈，產生具有一定頻率且方向垂直于激光光束傳播方向的交變磁場，當交變磁場的頻率恰好等于原子進動頻率時，產生磁共振，造成氣室對探測光的吸收變化；光電探測器置于原子介質氣室后側，實時探測透過原子介質氣室的光信號，并將光信號轉換為電信號。磁共振信號檢測電路對光電探測器探測得到的電信號進行處理，通過濾波、放大、鎖相等，反饋控制亥姆霍茲線圈，跟蹤鎖定磁共振產生時對應的頻率值，同時根據磁場與頻率的換算關系，推算出磁場的大小，實現對磁場的測量。

1961年，Bell和Bloom提出調制光場驅動自旋進動的磁力儀方案，該方案采用光強度調制的圓偏振光代替磁光雙共振方案里亥姆赫茲線圈產生的垂直于外磁場的射頻場，光場調制頻率等于拉莫頻率的整數倍時，探測光的吸收出現周期震蕩，震蕩頻率是磁場對應拉莫頻率或者是其倍數，通過解調后可獲得磁場值。同樣對激光的頻率、相位進行調制，可以得到類似的磁共振信號，鎖定后可以得到磁場值。

為了實現磁場快速鎖定同時簡化磁力儀的結構，1962年Bloom提出一種自激震蕩磁力儀的方法。自激振蕩電路由放大電路和反饋網絡組成，兩者構成一個閉合回路，且必須滿足自激振蕩條件(增益條件及相位條件)。傳統的自激式原子磁力儀利用了自激振蕩電路的基本原理。在射頻場的作用下，當產生磁共振時，探測光的吸收產生同頻率的振蕩，但是探測信號相位比射頻場延遲了90度，按照自激振蕩的原理，將探測信號相位移相90度，使整個環路的相移為2nπ即可發生自激振蕩。這種自激式磁力儀也更適合小型化的設計。

現有傳統的自激原子磁力儀需要移相電路將探測信號移相90度實現磁場測量，但由于移相電路受到磁場大小的影響，使電路移相較為困難,需要額外相位補償，這一情況限制了自激磁力儀的靈敏度。而在外磁場變化范圍較大的情況下，對應拉莫頻率范圍也變大，實現移相就更為困難。尤其在地磁場這類大磁場情況下，如果要用旋磁比更高的類似于氦原子作為原子介質，對應拉莫頻率就更高，也不利于移相電路的設計。