[發(fā)明專利]一種基于多程環(huán)形光腔的光泵原子磁力儀

在審

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• 申請日: 2019-07-23
• 公開（公告）號: CN110261797A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李瑩穎;徐馥芳;羅玉昆;馬明祥;胡青青
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 劉伊旸;周曉艷

本發(fā)明提供一種基于多程環(huán)形光腔的光泵原子磁力儀，包括多程環(huán)形光腔模塊、探測光路模塊、磁場控制模塊、信號分析控制模塊和泵浦光路模塊；所述多程環(huán)形光腔模塊用于實現(xiàn)探測激光多次往返通過原子氣室，所述探測光路模塊用于實現(xiàn)對磁場內(nèi)原子自旋進動狀態(tài)的探測過程并將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，所述磁場控制模塊用于對原子屏蔽外部環(huán)境磁場并產(chǎn)生功能磁場，所述信號分析控制模塊用于讀取和分析原子自旋進動狀態(tài)的電壓信號并反饋輸出磁場控制信號，所述泵浦光路模塊用于為原子氣室提供泵浦光。本發(fā)明通過多次反射探測激光延長了原子介質(zhì)對探測激光的作用距離，增強了信號輸出信號強度，進而提高了光泵原子磁力儀的磁場探測靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁場測量技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于多程環(huán)形光腔的光泵原子磁力儀。

背景技術(shù)

高精度磁力儀在醫(yī)療診斷、空間科學、礦藏勘探以及軍事反潛等技術(shù)領(lǐng)域具有非常廣泛的應用。原子磁力儀作為目前高精度磁力儀的主流代表，其基本工作原理是利用激光讀出原子自旋的運動狀態(tài)，而該運動狀態(tài)又與原子所處環(huán)境的磁場大小密切相關(guān)；具體地，由于非零的原子自旋具有磁矩，在磁場作用下會受到扭矩的作用從而以固定的頻率繞磁場線方向進動，且該進動頻率與磁場強度的大小成正比，因此可以通過觀測原子自旋的進動頻率得到原子所處環(huán)境的磁場數(shù)據(jù)。因此原子磁力儀也被稱為光學磁力儀，根據(jù)具體測量原理的不同，原子磁力儀可被劃分為質(zhì)子磁力儀、CPT原子磁力儀、金剛石色心原子磁力儀和光泵原子磁力儀等類別。

對于光泵原子磁力儀，其測量原理如下：出射的線偏振激光通過極化的原子自旋后，激光的線偏振方向會發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過的角度被稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角，由于法拉第旋轉(zhuǎn)角的大小正比于原子自旋產(chǎn)生的磁場強度大小以及激光通過介質(zhì)的光程長度大小，因此光泵原子磁力儀可根據(jù)線偏振激光產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)角讀出原子自旋的進動頻率，從而得到待測磁場的強度數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有的光泵原子磁力儀由于受到設(shè)備體積的限制，其原子氣室中的原子介質(zhì)對于探測激光的作用距離(即光程長度)也有限，因此探測激光在線偏振方向產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)角小，光泵原子磁力儀輸出的信號強度弱，大大限制了磁場探測的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種增大激光通過原子介質(zhì)的光程長度并提高磁場探測靈敏度的光泵原子磁力儀，以解決背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于多程環(huán)形光腔的光泵原子磁力儀，包括多程環(huán)形光腔模塊、探測光路模塊、磁場控制模塊和信號分析控制模塊；

所述多程環(huán)形光腔模塊包括原子氣室、入射腔鏡、出射腔鏡和第一反射鏡，所述入射腔鏡和出射腔鏡分別設(shè)置在原子氣室的探測激光入射光路和探測激光出射光路上，所述第一反射鏡用于實現(xiàn)探測激光在入射腔鏡和出射腔鏡之間的來回反射，通過入射腔鏡、出射腔鏡和第一反射鏡間方位的配合實現(xiàn)探測激光多次往返通過原子氣室；

所述探測光路模塊包括探測激光器、第二偏振分光鏡、第一光電探測器和第二光電探測器，所述探測激光器用于向入射腔鏡發(fā)射探測激光，所述第二偏振分光鏡用于將從出射腔鏡射出的探測激光分為兩束光功率相等的激光A和激光B，所述第一光電探測器和第二光電探測器分別設(shè)置在激光A和激光B的光路上并用于將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；

所述磁場控制模塊包括圍繞原子氣室設(shè)置的磁場線圈以及用于控制磁場線圈產(chǎn)生磁場強度的磁場驅(qū)動源，通過所述磁場線圈實現(xiàn)對原子的屏蔽外部環(huán)境磁場以及施加功能磁場；

所述信號分析控制模塊與第一光電探測器、第二光電探測器、磁場驅(qū)動源分別連接，通過分析來自兩個光電控制器的信號解算出原子自旋感受到的磁場強度數(shù)據(jù)并發(fā)出磁場控制信號。

優(yōu)選地，所述信號分析控制模塊包括差分電路和數(shù)據(jù)處理服務器，所述差分電路與第一光電探測器、第二光電探測器的信號輸出端連接，并用于對來自兩個光電探測器的輸出信號做差分運算，所述數(shù)據(jù)處理服務器與差分電路、磁場驅(qū)動源分別連接，并用于接收來自差分電路的運算結(jié)果進行磁場信號解算且發(fā)出對應的磁場控制信號。