[發明專利]基于脈沖泵浦磁力儀的梯度檢測系統

在審

• 申請號: 202010034637.8
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111220934A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 黃宇翔;谷保磊;陳齊霖
• 申請（專利權）人: 杭州昕磁科技有限公司
• 主分類號: G01R33/022
• 分類號: G01R33/022
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙) 11316
• 代理人: 趙永偉

本發明公開了一種基于脈沖泵浦磁力儀的梯度檢測系統，包括探測光激光器、起偏器、射頻線圈、脈沖型泵浦光激光器、第一原子氣室、第二原子氣室、四分之一玻片、探測光、第一反射鏡、第二反射鏡、偏振檢測系統及數據采集系統等部件，通過設置泵浦光的圓偏振特性或者泵浦光、探測光在第一原子氣室，第二原子氣室內作用方式，得到兩個氣室內的磁場梯度值。本發明將兩個脈沖泵浦磁力儀結合在一起，共用泵浦光或者探測光，并在信號端或者原子氣室內將信號相減，提取出磁場梯度信息，有效提高了兩個磁力儀的一致性，并抑制信噪比，得到較為準確的梯度值；減少了系統的體積，節省了成本。

技術領域

本發明涉及脈沖泵浦磁力儀技術領域，具體是一種基于脈沖泵浦磁力儀的梯度檢測系統。

背景技術

磁力儀用于檢測微弱磁場信號，廣泛應用于醫學，生物學，地質勘探，材料檢測等領域。近年來，采用充入玻璃氣室內的堿金屬原子(如鉀原子，銣原子，銫原子等)為工作物質的原子磁力儀是研究熱點，脈沖泵浦型原子磁力儀一般由泵浦激光、探測激光、原子氣室、射頻線圈和光電探測器組成系統。脈沖泵浦磁力儀是利用光泵浦方法將原子極化產生宏觀磁矩，由于處在磁場中的原子繞著磁矩做旋進，探測光檢測到磁矩旋轉的投影，旋轉的頻率正比于外磁場大小，分析磁矩旋轉的頻率信息可以得到外界磁場值。

根據磁偶極子模型分析，磁場會隨著距離呈現三次方衰減，為了準確探測某一物體產生的磁場，排除掉背景磁場的干擾，通常會用梯度的方法進行測量。一個原子磁力儀可以采集單個地點磁場信息，采用多個原子磁力儀可以組成梯度磁力儀，獲取梯度信息。梯度磁力儀有一般有多個信號端，當磁場源信號靠近其中一個信號端，近點信號端感受到磁場信號，遠點信號端由于磁場信號衰減無法感受到，二者相減得到磁場源信號，同時減掉了空間中的背景磁噪聲及光路、電路系統中的共模噪聲，提高儀器信噪比。

傳統梯度檢測方法是利用兩個不同磁力儀的信號相減得到差分信號，由于兩個磁力儀信號幅度，噪聲水平不同，直接相減得到的誤差比較大，且體積大成本高。

傳統梯度磁力儀采用的是光泵磁力儀或者磁通門磁力儀得到梯度信號，但是由于光泵磁力儀或者磁通門磁力儀等其他類型的磁力儀輸出信號多數為相對電壓信號，需要定標，無法保持絕對的一致性。另外，傳統梯度磁力儀里面有射頻線圈且無法共用射頻線圈，為了避免相鄰磁力儀串擾，需要分開一定距離，無法任意設置梯度磁力儀的間距，限制了梯度磁力儀的應用場合。

脈沖泵浦磁力儀信號是原子拉莫爾進動頻率信號，是一種不需要定標的絕對磁力儀，且靈敏度高，相互之間無干擾，適合做磁場梯度檢測。現有技術中脈沖泵浦磁力儀如結構圖1所示，包括：泵浦光激光器6、起偏器2、四分之一玻片5、擴束鏡12、探測光激光器1、起偏器2、射頻線圈3、原子氣室4、偏振檢測系統7和數據采集分析系統8等。采用脈沖型高功率激光6作為泵浦光，待測磁場B沿著泵浦光方向，設置好泵浦光脈沖時序，激光從泵浦光激光器6經過起偏器和四分之一玻片5之后變成圓偏振光，經過擴束鏡12變成大光斑照射整個原子氣室，采用與探測原子共振頻率一定失諧的激光作為探測光1，經過起偏器2得到線偏振光，偏振檢測系統7將探測光偏振變化的信息轉換成電信號，由數據采集分析系統8采集并分析得到結果，磁力儀工作時，在泵浦作用完成后關掉泵浦光，再施加一段時間的射頻π/2脈沖，頻率近似為原子的拉莫爾進動頻率，這樣偏振檢測系統7可以檢測到原子磁矩的宏觀進動信號，信號的表現是衰減的正弦振蕩曲線，頻率為磁場對應的拉莫爾進動頻率，正比于待測磁場B大小。信號由數據采集系統采集并進行分析，得到當前待測磁場B值。偏振檢測系統7可以用偏振分束棱鏡及兩個光電二極管組成，將偏振變化信息轉換成電信號；數據采集分析系統8可用數據采集卡及相應數據分析軟件組成，均為現有通用的技術。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于脈沖泵浦磁力儀的梯度檢測系統，將兩個脈沖泵浦磁力儀結合在一起，共用泵浦光或者探測光，并在信號端或者原子氣室內將信號相減，提取出磁場梯度信息，有效提高了通道的一致性并提高了信噪比，減少了系統的體積。