一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置。包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接。本发明专利技术采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，以单个独立传感表头实现三维空间磁场的高精度测绘；利用激光的偏振状态调制，用一束激光实现碱金属原子电子自旋极化和进动状态探测，同时以光调制手段取代磁场调制，有效减少磁场干扰，减小系统重量和体积；本发明专利技术结构简单，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。

A three-dimensional magnetic field mapping device based on atomic magnetometer

【技术实现步骤摘要】
一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置
本专利技术涉及磁场测量
，具体涉及一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置。
技术介绍
碱金属原子最外层只有一个电子，电子自旋在外磁场作用下会以特定频率绕磁场方向进动，进动频率的大小仅与原子种类和磁场幅值有关。利用碱金属原子最外层电子自旋的进动性质可以构成原子磁力仪，实现对磁场的高灵敏测量，在军事侦察、矿产勘测、生物磁场探测等领域均有着重要的应用潜力。光与原子的相互作用是原子磁力仪中的重要过程：一方面碱金属原子对入射光子的吸收使大部分碱金属原子最外层电子具有相同的初始自旋指向，大量微观原子的电子自旋表现为宏观的非零自旋极化；另一方面，碱金属原子电子自旋在磁场作用下的进动会影响原子对入射光的吸收，据此可以通过透射出原子介质的光功率变化反映碱金属原子电子自旋的进动频率，得到原子所处位置磁场的幅值。由于左旋圆偏振光子与右旋圆偏振光子携带的角动量方向相反，碱金属原子电子自旋吸收左旋圆偏振光子与吸收右旋圆偏振光子后自旋极化方向相反。因此周期性调制入射光的左右旋偏振状态可以实现碱金属原子电子自旋极化的周期性调制。本专利技术根据磁场环境中光与碱金属原子的相互作用，提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，采用偏振调制的单束激光作为光源，同时实现碱金属原子电子自旋的极化和进动检测；采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，实现三维空间磁场的高精度测绘。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，以紧凑结构实现空间磁场的高分辨率、高灵敏度测绘。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；所述传感表头包括原子气室、光电探测阵列和无磁线性平移台，原子气室、光电探测阵列沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台与原子气室、光电探测阵列固连在一起，用于改变原子气室、光电探测阵列沿光传播方向上的位置。优选地，所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器、激光器、二分之一波片、偏振分光镜和偏振调制元件；所述激光器用于向原子气室发射激光，所述偏振分光镜用于将激光器发射的激光分为主光束和参考光束，所述二分之一波片用于调整主光束和参考光束的光功率，所述激光控制器设置在参考光束光路上并用于实现对激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振调制元件用于对主光束的偏振状态进行周期性调制。优选地，所述光束放大单元包括扩束镜、平面反射镜、四分之一波片和球面反射镜组；经偏振调制元件周期性调制的主光束依次经过扩束镜、平面反射镜、四分之一波片和球面反射镜组；所述扩束镜和球面反射镜组用于扩大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片用于将线偏振激光转化为圆偏振状态。优选地，所述球面反射镜组包括沿着光传播方向依次设置的第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜；所述平面反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜的反射方向均可单独调节，使激光覆盖原子气室。优选地，所述原子气室为密闭透光气室，原子气室内充有碱金属原子蒸汽、氢气和氮气。优选地，所述原子气室为扁平长方体气室，气室最大端面与气室内激光传播方向垂直设置。优选地，所述光电探测阵列设置在主光束光路上，用于将光信号转化为电压信号。优选地，所述温度控制模块包括设置在原子气室上的无磁温度传感器、围绕传感表头设置的电加热片以及温度控制器，所述温度控制器接收来自无磁温度传感器的温度信号并向电加热片发出对应的温度控制信号。优选地，所述信号分析控制模块包含偏振调制控制器、数模/模数转换电路和数据处理服务器；所述偏振调制控制器输出端与偏振调制元件相连，用于产生偏振调制驱动信号；所述数模/模数转换电路的模数转换输入端与光电探测阵列输出端连接，所述数模/模数转换电路的数模转换输出端与偏振调制控制器输入端连接；所述数据处理服务器通过数模/模数转换电路与光电探测阵列、偏振调制控制器分别连接，并用于接收来自光电探测阵列的电压信号进行磁场信号解算且发出对应的偏振控制信号。应用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果：(1)、本专利技术采用光电探测阵列结合原子气室线性平移的方式，能够以单个独立传感表头实现三维空间磁场的高精度测绘。(2)、本专利技术利用激光的偏振状态调制可以用一束激光实现碱金属原子电子自旋极化和进动状态探测，同时以光调制手段取代磁场调制，能够有效减少磁场干扰，减小系统重量和体积。(3)、本专利技术通过设置方位可调的第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜，可实现对激光行进路线和光束直径的调整，使得本专利技术构造的三维空间磁场测绘装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室，实现对磁场的高分辨率、高灵敏度测量。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术实施例1中基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例1中交变偏振调制信号与激光偏振状态调控结果示意图；其中：101、激光控制器，102、激光器，103、二分之一波片，104、偏振分光镜，105、偏振调制元件，106、扩束镜，107、平面反射镜，108、四分之一波片，109、第一球面反射镜，110、第二球面反射镜，111、第三球面反射镜；201、原子气室，202、光电探测阵列，203、无磁线性平移台；301、无磁温度传感器，302、温度控制器，303、电加热片；401、偏振调制控制器，402、数模/模数转换电路，403、数据处理服务器；A、主光束，B、参考光束。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1：参见图1(图中箭头为激光经过方向或信号传输方向)，一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器101、激光器102、二分之一波片103、偏振分光镜104和偏振调制元件105；所述激光器102用于向原子气室201发射激光，所述偏振分光镜104用于将激光器102发射的激光分为主光束A和参考光束B，所述二分之一波片103用于调整主光束A和参考光束B的光功率，所述激光控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；/n所述传感表头包括原子气室(201)、光电探测阵列(202)和无磁线性平移台(203)，原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台(203)与原子气室(201)、光电探测阵列(202)固连在一起，用于改变原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿光传播方向上的位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，包括光路模块、传感表头、温度控制模块和信号分析控制模块；光路模块包括激光发射单元和光束放大单元；激光发射单元发射的激光经光束放大单元放大后，发射到传感表头；温度控制模块围绕着传感表头设置；信号分析控制模块分别与激光发射单元和传感表头连接；
所述传感表头包括原子气室(201)、光电探测阵列(202)和无磁线性平移台(203)，原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿着光传播方向依次设置，所述无磁线性平移台(203)与原子气室(201)、光电探测阵列(202)固连在一起，用于改变原子气室(201)、光电探测阵列(202)沿光传播方向上的位置。


2.根据权利要求1所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述激光发射单元包括依次设置的激光控制器(101)、激光器(102)、二分之一波片(103)、偏振分光镜(104)和偏振调制元件(105)；所述激光器(102)用于向原子气室(201)发射激光，所述偏振分光镜(104)用于将激光器(102)发射的激光分为主光束(A)和参考光束(B)，所述二分之一波片(103)用于调整主光束(A)和参考光束(B)的光功率，所述激光控制器(101)设置在参考光束(B)光路上并用于实现对激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振调制元件(105)用于对主光束(A)的偏振状态进行周期性调制。


3.根据权利要求2所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述光束放大单元包括扩束镜(106)、平面反射镜(107)、四分之一波片(108)和球面反射镜组；经偏振调制元件(105)周期性调制的主光束依次经过扩束镜(106)、平面反射镜(107)、四分之一波片(108)和球面反射镜组；所述扩束镜(106)和球面反射镜组用于扩大主光束的光斑尺寸；所述四分之一波片(108)用于将线偏振激光转化为圆偏振状态。


4.根据权利要求3所述的一种基于原子磁力仪的三维空间磁场测绘装置，其特征在于，所述球面反射镜组包括沿着光传播方向依次设置的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李莹颖，王凯，徐馥芳，马明祥，汪杰，罗玉昆，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11