一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，属于原子磁强计技术领域。高灵敏度激光光泵磁强计包括VCSEL激光器、λ/2波片、第一λ/4波片、

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法


[0001]本专利技术属于原子磁强计
，涉及一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法。

技术介绍

[0002]光泵磁强计具有探测灵敏度高的特点，在磁性目标探测、空间物理、生物医学、地质勘探等军民领域有着重要应用。激光光泵磁强计是一种利用激光为光源，通过激光与原子相互作用，探测原子在磁场中的塞曼效应，从而实现对外磁场场强感知的装置。利用激光为光源的光泵磁强计功耗可以做到1W以内，灵敏度可优于5pT/Hz
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。
[0003]在外磁场下，原子的塞曼效应使得能级间的裂距随外界磁场的变化而变化。以
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Rb原子为例，52S
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基态在外磁场下发生塞曼分裂，分裂后相邻能级间对应的拉莫尔频率f
L
与待测磁场B的关系可近似为f
L
＝γB，其中γ为
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Rb原子的磁旋比。利用波长为795nm(对应
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Rb原子D1线)圆偏振激光对
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Rb原子进行抽运，原子吸收光子被极化并达到饱和，饱和后原子不在吸收光子。当在原子外加上一个与拉莫尔频率f
L
相等的射频磁场时，发生光磁共振，原子被退极化并重新吸收光子，激光透射光光强变弱，即得到磁共振信号。通过磁共振信号可以测得原子的拉莫尔频率f
L
，从而得到待测磁场B的大小。
[0004]传统的激光光泵磁强计采用单一圆偏振光与原子相互作用来获取磁共振信号，单一圆偏振激光中部分激光被原子吸收用作抽运光，但激光未完全被原子吸收，未被吸收的透射激光则作为光本底被检测到，因此获取的磁共振信号本底噪声大。特别是对于VCSEL激光器，其激光光强噪声(AM噪声)和频率噪声转化为的光强噪声(FM
‑
AM噪声)均会导致信噪比降低，降低了激光光泵磁强计的探测灵敏度。
[0005]因此，目前亟需一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，能够减小激光光泵磁强计的激光光强噪声(AM噪声)和频率噪声转化为光强噪声(FM
‑
AM噪声)，提高激光光泵磁强计的探测灵敏度。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法，采用波片组合，用得到的椭圆偏振激光与原子相互作用获取磁共振信号，再通过偏振选择探测，将未发生磁共振的偏振激光成分作为激光器锁频成分，将发生磁共振的偏振激光成分作为磁共振锁定信号，有效抑制了透射激光的AM噪声和FM
‑
AM噪声，从而提高了激光光泵磁强计的探测灵敏度。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]本专利技术提出一种高灵敏度激光光泵磁强计，包括：VCSEL激光器、λ/2波片、第一λ/4波片、
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Rb原子气室、射频线圈、第二λ/4波片、偏振分束器PBS、第一光电探测器、第二光电探测器、激光伺服、电流源、射频伺服和频率发生器；λ为VCSEL激光器发射的原始线偏振激光的波长。
[0009]VCSEL激光器安装在光路的最左侧，λ/2波片、第一λ/4波片、
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Rb原子气室、第二λ/4波片、偏振分束器PBS和第二光电探测器依次安装在VCSEL激光器右侧，第一光电探测器安装在偏振分束器PBS正上方，射频线圈外绕在
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Rb原子气室外部。
[0010]第一光电探测器与激光伺服连接，激光伺服与电流源连接，电流源与VCSEL激光器连接。
[0011]第二光电探测器与射频伺服连接，射频伺服与频率发生器连接，频率发生器与射频线圈连接。
[0012]进一步的，激光伺服的功能为：
[0013]当VCSEL激光器输出的激光的频率刚好等于
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Rb原子D1线对应频率时，激光经过
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Rb原子气室时会被吸收，得到多普勒吸收信号，第一光电探测器获取多普勒吸收信号并传输给激光伺服，激光伺服通过锁相放大技术，生成激光调节信号，输入至电流源，用于调节电流源产生针对VCSEL激光器的驱动电流，将VCSEL激光器输出激光频率锁定在
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Rb原子D1线对应的频率上。
[0014]进一步的，射频伺服的功能为：
[0015]当频率发生器的发射频率等于
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Rb原子在磁场中的拉莫尔频率时，进入
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Rb原子气室的激光与
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Rb原子相互作用发生磁共振，此时激光的偏振方向也因为法拉第效应而发生偏转，第二光电探测器获取磁共振信号的偏振分量并传输给射频伺服，射频伺服通过锁相放大技术，生成射频调节信号并输入至频率发生器；射频调节信号调节频率发生器输出的射频信号的频率，实现对磁共振信号的跟踪和锁定。
[0016]进一步的，采用一个恒温控制模块来进行恒温控制，恒温控制模块包括电桥和PID控制单元以及加热器件。
[0017]本专利技术提出一种高灵敏度激光光泵磁强计设计方法，针对如上任一所述的高灵敏度激光光泵磁强计进行设计，设计方法包括如下步骤：
[0018]步骤1、为了保证
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Rb原子气室的正常工作，将
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Rb原子气室加热到设定温度，并对其进行恒温控制。
[0019]步骤2、为了保证VCSEL激光器的正常工作，对VCSEL激光器加热，并进行恒温控制；电流源输出VCSEL激光器的驱动电流，调节VCSEL激光器的驱动电流，同时根据原子对激光的吸收作用实现VCSEL激光器输出激光的频率锁定，将其频率锁定在
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Rb原子的D1线对应的激光频率上。
[0020]步骤3、在VCSEL激光器后面放置λ/2波片，原始线偏振激光通过λ/2波片得到一束线偏振激光，通过旋转λ/2波片晶轴的方向来调节VCSEL激光器输出的原始线偏振激光的偏振方向。
[0021]步骤4、先撤去第一λ/4波片和第二λ/4波片，并在未发生磁共振时旋转λ/2波片晶轴，使原始线偏振激光通过偏振分束器PBS后全部被反射。
[0022]步骤5、在λ/2波片后，
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Rb原子气室前放置第一λ/4波片，并使第一λ/4波片晶轴与λ/2波片晶轴的夹角为22.5
°
，此时原始线偏振激光经过第一λ/4波片后变为椭圆偏振激光，椭圆偏振激光经过
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Rb原子气室并与
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Rb原子相互作用。
[0023]步骤6、在
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Rb原子气室后，偏振分束器PBS前放置第二λ/4波片，并使第二λ/4波片的晶轴与第一λ/4波片的晶轴相互垂直。
[0024]步骤7、未发生磁共振时，所述椭圆偏振激光经过第二λ/4波片后还原为线偏振激光，第一光电探测器探测到线偏振激光的光强，将其作为激光器锁频信号传输给激光伺服，激光伺服采用锁相放大技术，生成激光调节信号，用于调节VCSEL激光器的驱动电流，将其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，包括：VCSEL激光器(1)、λ/2波片(2)、第一λ/4波片(3)、
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Rb原子气室(4)、射频线圈(5)、第二λ/4波片(6)、偏振分束器PBS(7)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(9)、激光伺服(10)、电流源(11)、射频伺服(12)和频率发生器(13)；λ为VCSEL激光器(1)发射的原始线偏振激光的波长；所述VCSEL激光器(1)安装在光路的最左侧，所述λ/2波片(2)、所述第一λ/4波片(3)、所述
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Rb原子气室(4)、所述第二λ/4波片(6)、所述偏振分束器PBS(7)和所述第二光电探测器(9)依次安装在所述VCSEL激光器(1)右侧，所述第一光电探测器(8)安装在所述偏振分束器PBS(7)正上方，所述射频线圈(5)外绕在所述
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Rb原子气室(4)外部；所述第一光电探测器(8)与所述激光伺服(10)连接，所述激光伺服(10)与所述电流源(11)连接，所述电流源(11)与所述VCSEL激光器(1)连接；所述第二光电探测器(9)与所述射频伺服(12)连接，所述射频伺服(12)与所述频率发生器(13)连接，所述频率发生器(13)与所述射频线圈(5)连接。2.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，所述激光伺服(10)的功能为：当所述VCSEL激光器(1)输出的激光的频率刚好等于
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Rb原子D1线对应频率时，激光经过所述
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Rb原子气室(4)时会被吸收，得到多普勒吸收信号，所述第一光电探测器(8)获取多普勒吸收信号并传输给所述激光伺服(10)，所述激光伺服(10)通过锁相放大技术，生成激光调节信号，输入至所述电流源(11)，用于调节所述电流源(11)产生针对所述VCSEL激光器(1)的驱动电流，将所述VCSEL激光器(1)输出激光频率锁定在
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Rb原子D1线对应的频率上。3.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，所述射频伺服(12)的功能为：当频率发生器(13)的发射频率等于
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Rb原子在磁场中的拉莫尔频率时，进入所述
87
Rb原子气室(4)的激光与
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Rb原子相互作用发生磁共振，此时激光的偏振方向也因为法拉第效应而发生偏转，所述第二光电探测器(9)获取磁共振信号的偏振分量并传输给所述射频伺服(12)，所述射频伺服(12)通过锁相放大技术，生成射频调节信号并输入至所述频率发生器(13)；所述射频调节信号调节所述频率发生器(13)输出的射频信号的频率，实现对磁共振信号的跟踪和锁定。4.如权利要求1所述的一种高灵敏度激光光泵磁强计，其特征在于，采用一个恒温控制模块来进行恒温控制，所述恒温控制模块包括电桥和PID控制单元以及加热器件。5.一种高灵敏度激光光泵磁强计设计方法，其特征在于，针对如权利要求1
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4任一所述的高灵敏度激光光泵磁强计进行设计，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张樊，王羚，韩晓东，曹平军，谢胤，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团有限公司第七一零研究所，
类型：发明
国别省市：