[發(fā)明專利]一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010216164.3
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111273205B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李瑩穎;王凱;徐馥芳;馬明祥;汪杰;羅玉昆
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍軍事科學(xué)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(wù)所(普通合伙) 43214
• 代理人: 劉伊?xí)D;周曉艷

本發(fā)明提供了一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置。包括光路模塊、傳感表頭、溫度控制模塊和信號分析控制模塊；光路模塊包括激光發(fā)射單元和光束放大單元；激光發(fā)射單元發(fā)射的激光經(jīng)光束放大單元放大后，發(fā)射到傳感表頭；溫度控制模塊圍繞著傳感表頭設(shè)置；信號分析控制模塊分別與激光發(fā)射單元和傳感表頭連接。本發(fā)明采用光電探測陣列結(jié)合原子氣室線性平移的方式，以單個獨立傳感表頭實現(xiàn)三維空間磁場的高精度測繪；利用激光的偏振狀態(tài)調(diào)制，用一束激光實現(xiàn)堿金屬原子電子自旋極化和進動狀態(tài)探測，同時以光調(diào)制手段取代磁場調(diào)制，有效減少磁場干擾，減小系統(tǒng)重量和體積；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可用于不同類型的原子氣室，可移植性強，適于實用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁場測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置。

背景技術(shù)

堿金屬原子最外層只有一個電子，電子自旋在外磁場作用下會以特定頻率繞磁場方向進動，進動頻率的大小僅與原子種類和磁場幅值有關(guān)。利用堿金屬原子最外層電子自旋的進動性質(zhì)可以構(gòu)成原子磁力儀，實現(xiàn)對磁場的高靈敏測量，在軍事偵察、礦產(chǎn)勘測、生物磁場探測等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用潛力。光與原子的相互作用是原子磁力儀中的重要過程：一方面堿金屬原子對入射光子的吸收使大部分堿金屬原子最外層電子具有相同的初始自旋指向，大量微觀原子的電子自旋表現(xiàn)為宏觀的非零自旋極化；另一方面，堿金屬原子電子自旋在磁場作用下的進動會影響原子對入射光的吸收，據(jù)此可以通過透射出原子介質(zhì)的光功率變化反映堿金屬原子電子自旋的進動頻率，得到原子所處位置磁場的幅值。由于左旋圓偏振光子與右旋圓偏振光子攜帶的角動量方向相反，堿金屬原子電子自旋吸收左旋圓偏振光子與吸收右旋圓偏振光子后自旋極化方向相反。因此周期性調(diào)制入射光的左右旋偏振狀態(tài)可以實現(xiàn)堿金屬原子電子自旋極化的周期性調(diào)制。

本發(fā)明根據(jù)磁場環(huán)境中光與堿金屬原子的相互作用，提供了一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置，采用偏振調(diào)制的單束激光作為光源，同時實現(xiàn)堿金屬原子電子自旋的極化和進動檢測；采用光電探測陣列結(jié)合原子氣室線性平移的方式，實現(xiàn)三維空間磁場的高精度測繪。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置，以緊湊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)空間磁場的高分辨率、高靈敏度測繪。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于原子磁力儀的三維空間磁場測繪裝置，包括光路模塊、傳感表頭、溫度控制模塊和信號分析控制模塊；光路模塊包括激光發(fā)射單元和光束放大單元；激光發(fā)射單元發(fā)射的激光經(jīng)光束放大單元放大后，發(fā)射到傳感表頭；溫度控制模塊圍繞著傳感表頭設(shè)置；信號分析控制模塊分別與激光發(fā)射單元和傳感表頭連接；

所述傳感表頭包括原子氣室、光電探測陣列和無磁線性平移臺，原子氣室、光電探測陣列沿著光傳播方向依次設(shè)置，所述無磁線性平移臺與原子氣室、光電探測陣列固連在一起，用于改變原子氣室、光電探測陣列沿光傳播方向上的位置。

優(yōu)選地，所述激光發(fā)射單元包括依次設(shè)置的激光控制器、激光器、二分之一波片、偏振分光鏡和偏振調(diào)制元件；所述激光器用于向原子氣室發(fā)射激光，所述偏振分光鏡用于將激光器發(fā)射的激光分為主光束和參考光束，所述二分之一波片用于調(diào)整主光束和參考光束的光功率，所述激光控制器設(shè)置在參考光束光路上并用于實現(xiàn)對激光頻率和功率的選擇及穩(wěn)定；所述偏振調(diào)制元件用于對主光束的偏振狀態(tài)進行周期性調(diào)制。

優(yōu)選地，所述光束放大單元包括擴束鏡、平面反射鏡、四分之一波片和球面反射鏡組；經(jīng)偏振調(diào)制元件周期性調(diào)制的主光束依次經(jīng)過擴束鏡、平面反射鏡、四分之一波片和球面反射鏡組；所述擴束鏡和球面反射鏡組用于擴大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片用于將線偏振激光轉(zhuǎn)化為圓偏振狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述球面反射鏡組包括沿著光傳播方向依次設(shè)置的第一球面反射鏡、第二球面反射鏡和第三球面反射鏡；所述平面反射鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡和第三球面反射鏡的反射方向均可單獨調(diào)節(jié)，使激光覆蓋原子氣室。

優(yōu)選地，所述原子氣室為密閉透光氣室，原子氣室內(nèi)充有堿金屬原子蒸汽、氫氣和氮氣。