一种磁显微成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种磁显微成像方法及装置。常规的原子磁显微利用连续激光抽运、检测，磁场灵敏度高，广泛应用于各类高精度磁场测量领域。基于连续激光测量的原子磁显微仪的空间分辨率在毫米量级，而科学研究和生产生活中很多地方需要测量微米量级的磁场空间分布信息，即需要使用微米量级的磁显微仪。本发明专利技术利用高功率脉冲激光对原子进行抽运，再用低功率脉冲激光检测原子极化率，缩短了检测时间，部分消除了扩散对空间分辨率的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁显微成像方法及装置，属于原子磁强计

技术介绍
磁场梯度测量技术是一种测量磁场空间分布的技术，其主要技术指标为空间分辨 率和磁场灵敏度。高空间分辨率的磁场梯度测量技术又称磁显微技术，广泛应用于生物显 微、材料分析、电路分析、基础物理等领域。常见的磁显微技术有磁力显微镜技术（MFM)、超 导量子干涉技术（SQUID)、原子磁强计技术（AM)。MFM技术具有非常高的空间分辨率，但磁 场灵敏度低。SQUID技术空间分辨率和磁场灵敏度可调范围大，但需要工作在低温环境下以 实现超导，这局限了该技术的应用范围。AM技术目前具有最高的磁场灵敏度，但是传统的原 子磁强计空间分辨率不高，无法应用于微米量级的测量。 鉴于AM技术的最高磁场灵敏度，如何基于AM技术同时实现微米量级的空间分辨 率已成为前沿技术研究的一个热点。针对这一难题，目前已有的解决思路有注入高压缓冲 气体和减小气室体积两种方法，但由于无法彻底解决原子扩散问题，空间分辨率一直难以 突破百微米量级。而科学研究和生产生活中很多地方需要更精细的磁场信息，即需要分辨 率达到微米量级。目前，空间分辨率在100μπι以下的原子磁强计尚未有相关报道。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种磁显微成像方法及装置，在 双光束原子磁强计的基础上，使用双脉冲光束抽运检测方法提高空间分辨率，具有很高的 检测精度和实用价值。 本专利技术的技术解决方案：一种磁显微成像方法，通过检测碱金属原子在磁场中的 进动相位实现三轴磁场测量，沿y轴方向外加一个磁场B y(y，z)，有两束激光同时作用在 碱金属原子气室上，沿z轴方向有一束圆偏振光作为抽运光，沿X轴方向有一束线偏振光 作为检测光。测量前先对对系统进行校准调整，在无抽运光作用下，打开检测光，分别得到 图像采集器（4)和（9)的输出的光强分布图像I 1^z)和I2(y，z)，调节图像采集器（4) 和（9)位置，并使用线性变换矩阵A对I 1 (y，z)进行线性调整，使得差分图像Λ I (y，z)= Α?Α,ζ^?Κγ,ζ)的平均值接近0。 开始测量后，首先在有抽运光作用下，打开检测光，由于旋光效应，差分图像 Λ I (y，ζ)不再为0,旋光角分布为： 然后，根据所得旋光角分布，由旋光效应原理，计算极化率矢量分布： 其中，1为光程，L为电子经典半径，c为光速，η为气室内碱金属原子浓度，fD1和 fD2分别为碱金属原子Dl线和D2线的振荡强度，v、v D1和V D2分别为探测光、碱金属原子D1、 D2线的对应频率； 最后，根据所得的极化率矢量分布，由原子磁强计基本原理，计算得到磁场空间分 布： 其中，心为弛豫时间，t ,为检测光延迟，P。为抽运结束后极化率模，γ为碱金属旋 磁比。 所述抽运光为圆偏振脉冲光，波长为碱金属原子Dl线跃迀频率相应波长，脉冲结 束后，原子极化达到饱和。 所述检测光为线偏振脉冲光，波长为碱金属原子D2线或Dl线跃迀频率相应波长。 所述抽运光与检测光正交，且在同一平面上。 所述检测光与抽运光脉冲周期相同，检测光延迟大于0且小于3毫秒。 -种磁显微成像装置，包括：抽运光激光器（1)、检测光激光器（2)、碱金属原子气 室（3)、处理器（6)、图像采集器（4)和（9)、偏振分光棱镜（10)、偏振片（13)和（17)、半波 片（14)、四分之一波片（16)、磁屏蔽装置（15)和磁场空间分布图像输出（8); 抽运光激光器（1)发出的激光通过偏振片（17)和四分之一波片（16)得到的高功 率圆偏振光，在脉冲时间内充分极化了碱金属原子气室（3)内的碱金属原子；抽运结束1^ 时间后，检测光激光器（2)产生的激光通过偏振片（17)和半波片（14)后得到线偏振光。该 线偏振光进入碱金属原子气室（3)，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光；当 7轴方向 存在磁gBy(y, ζ)时，碱金属原子绕磁场进动的矢量在X轴上存在投影Px(y, ζ)，这对检测光 有旋光效应，会改变输出光的偏振方向，使得Λ I (y，z)发生变化，还需要在一个CCD曝光周 期内接收多个检测光脉冲，降低Λ I (y, z)的热噪声，通过计算得到磁场空间分布By(y, z)。 本专利技术与现有技术相比的优点在于： (1)现有的SQUID技术需要工作在超低温环境下实现超导。相比而言，本专利技术提出 的方法可以工作在室温环境下，拥有更广泛的应用前景； (2)现有的MFM技术磁场灵敏度低。相比而言，本专利技术提出的方法基于原子磁强计 原理，磁场灵敏度更高，可以检测到更微弱的磁场变化； (3)现有的原子磁强计无法消除原子扩散，空间分辨率差。相比而言，本专利技术应用 了双脉冲抽运检测技术，通过缩短脉冲间隔，限制了原子的扩散时间，提升了空间分辨率。【附图说明】 图1为本专利技术测量方法的原理示意图； 图2为本专利技术测量装置的光路和结构示意图； 图3为本专利技术测量方法的时序示意图。【具体实施方式】 如图2所示，本专利技术提出的磁显微成像装置包括：894. 5nm波长的抽运光激光器1 和检测光激光器2,用于抽运和检测，抽运激光器脉冲功率为100W，检测激光器脉冲功率为 ImW ;碱金属原子气室3中充入铯蒸汽，两个图像采集器4和9使用CCD实现；处理器6为电 脑台式机主机，通过以太网口接收C⑶传回图像，处理图像的结果显示在台式机显示器上； 磁屏蔽装置15为3层坡莫合金制作，地磁环境下气室内剩磁小于1000 nT ;抽运光激光器1 发出的抽运脉冲依次通过偏振片17、四分之一波片16和碱金属原子气室3 ;检测光激光器 2发出的检测脉冲依次通过偏振片13、半波片14和碱金属原子气室3,然后经由偏振分光棱 镜10分成两束线偏振光，由图像采集器4和9接收。 如图2所示，利用本专利技术测量装置实现磁显微成像的具体实施步骤如下：当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁显微成像方法，其特征在于：待测磁场沿y轴方向记为By(y,z)，该磁场在y‑z平面内分布不均，有两束脉冲激光同时作用在碱金属原子气室(3)上，沿z轴方向有一束抽运光，沿x轴方向有一束检测光，极化的原子在主磁场作用下发生进动，对线偏振光存在旋光效应，通过偏振分光棱镜(10)后，两个图像采集器探测z轴和x轴方向，得到两个光强均会发生变化，调节两个图像采集器的位置并利用图像变形算法对齐这两个光强分布图，再进行差分计算得出旋光角的空间分布，进而计算出磁场空间分布By(y,z)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董海峰，胡旭阳，黄海超，陈林，高阳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11