集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪制造技术

本发明专利技术公开了一种集成VCSEL激光器的小型化旋光无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪。为了克服采用光纤传输的小型化SERF磁力仪在实际应用中遇到的问题，本发明专利技术采用VCSEL激光器作为光源取代光纤传输，实现了一种集成VCSEL激光器的小型化SERF磁力仪。同时，利用椭圆偏振光旋光探测方式，不仅保证了单光配置光路简单的优势，同时大大减小了VCSEL激光器的频率抖动对磁力仪灵敏度的影响，达到了55fT/Hz

【技术实现步骤摘要】
集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪


[0001]本专利技术属于原子磁力仪
，尤其是涉及一种集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，可以用来实现心脏微弱磁场的测量。

技术介绍

[0002]心脏微弱磁场的研究最早开始于1963年，Baule等人首次利用线圈式磁力仪检测到心磁信号。随着超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的发展，Cohen等人在1970年利用SQUID磁力仪检测到心磁信号。随后，心脏微弱磁场的研究引起广泛关注，逐渐发展出基于SQUID磁力仪的心磁图技术，并应用于临床诊断和医学研究中。心磁图可用于心率失常的3D定位、危及生命的心率失常风险评估、QRS时间正常的非缺血性心肌病患者、晚期心脏病的预测、胎儿心率失常特征的检测、冠状动脉疾病的早期诊断和异体移植心脏血管病变的检测等。心磁图最大的优势在于，它是一种非接触、非侵入式、快速检测心脏疾病的方法。因此，对于心磁图的研究，无论是临床诊断还是医学研究，都具有非常重要的意义。
[0003]心磁信号十分微弱，成年人的心磁信号振幅最大约在100pT量级，要测到如此微弱的心磁信号，测量设备必须具有很高的灵敏度。长久以来，心磁测量都是依赖于灵敏度可达1fT/Hz
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的SQUID磁力仪。但是SQUID磁力仪需要工作在液氦的超低温环境下，维护成本非常昂贵。
[0004]近年来，随着激光技术的发展进步，基于激光与原子相互作用的原子磁力仪如雨后春笋般涌现出来，其中最引人关注的便是基于无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free,SERF)的原子磁力仪。SERF磁力仪具有高灵敏度、非低温工作条件和易于小型化等特点，非常适合用于心磁信号的测量。目前，小型化SERF磁力仪的光源大多是将激光器发出的激光耦合到保偏光纤中，传输到小型化的SERF磁力仪中，例如杜鹏程(CN 111035386 A)等人，利用保偏光纤实现了一种微型SERF磁力仪。但是基于光纤传输的方案在临床应用中面临很多问题，环境振动容易导致光纤抖动，进而改变光纤输出光的功率和偏振，影响磁力仪的灵敏度。而且光纤非常容易折断，在移动过程中很不方便，限制了其使用范围。
[0005]VCSEL激光器同DFB激光器、外腔式可调谐半导体激光器相比，体积小很多，非常适合集成到小型化SERF磁力仪中。但是VCSEL激光器的频率抖动要严重的多，线宽经常有100MHz。如果采用小型化SERF磁力仪常用的圆偏振光吸收探测方式，例如李建军(CN 111044947 A)等人实现的小型化SERF磁力仪装置，VCSEL激光本身的频率抖动会严重影响磁力仪的灵敏度。我们通过平台实验，采用圆偏振光吸收探测方式，SERF磁力仪的灵敏度在10Hz左右只能达到400fT/Hz
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。克服此问题的常用思路是利用SERF磁力仪工作用的充有高压惰性气体的原子气室吸收峰，通过激光锁频电路，稳定VCSEL激光器的频率。但是此方法过程比较繁琐复杂，且实现难度较高，目前只有Quspin公司掌握此项技术(US10243325B2)。

技术实现思路

[0006]为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种小巧灵活、高灵敏度的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪。
[0007]为了达到上述的目的，本专利技术采用了以下的技术方案：
[0008]一种集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，包括光源部分、光路部分、原子气室部分、磁场部分以及信号探测部分；其中，光源部分选用VCSEL激光器，激光频率调谐至旋光角接近最大的波段；光路部分将VCSEL激光器发出的光调整为椭圆偏振光；信号探测部分采用旋光探测方式测量外界磁场大小。
[0009]本方案采用VCSEL激光器作为光源，将激光器集成到磁力仪探头中，减少环境振动带来的影响，同时使得磁力仪装置更加灵活。避免了光纤传输方案在临床应用中面临的诸多问题，例如：环境振动容易导致光纤抖动，进而改变光纤输出光的功率和偏振，影响磁力仪的灵敏度；光纤非常容易折断，移动很不方便，限制了其使用范围。利用椭圆偏振光旋光探测方式，将VCSEL激光器频率调谐至旋光角接近最大的波段，此波段恰好是VCSEL激光器频率抖动对旋光角影响最小的位置，这样就大大减小了VCSEL激光器的频率抖动对磁力仪灵敏度的影响，实现了一种高灵敏度的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪。
[0010]作为优选，光源部分包括VCSEL激光器和准直透镜；其中，VCSEL激光器的波长与铷原子D1线失谐约20
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30G，VCSEL激光器发出的光经过准直透镜成为平行光。
[0011]作为优选，光路部分包括线偏振片、1/4波片、第一保偏反射镜和第二保偏反射镜；其中，平行光经过线偏振片、1/4波片后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过第一保偏反射镜后透过原子气室，再经过第二保偏反射镜到达信号探测部分。
[0012]作为优选，原子气室部分包括安装在氮化硼加热壳内的原子气室，原子气室位于亥姆霍兹线圈中心，在氮化硼加热壳上绕无磁高阻加热线，对原子气室进行均匀加热。氮化硼加热壳外面包裹保温海绵，防止热量流失，使装置内部温度均匀。氮化硼加热壳上开有通光孔，用镀膜窗口片封堵该通光孔，以隔绝原子气室与外界的热对流。
[0013]作为优选，原子气室内充有
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Rb原子，同时充入760Torr氮气作为缓冲和淬灭气体。
[0014]作为优选，原子气室上设有用于实时探测气室温度的热电偶。
[0015]作为优选，磁场部分包括五组亥姆霍兹线圈，每组亥姆霍兹线圈包含两个相互平行的同向方型线圈，其中，沿着X方向有一组用于产生补偿磁场的亥姆霍兹线圈，补偿激光泵浦产生的Light Shift虚拟磁场。Y方向和Z方向分别包含两组亥姆霍兹线圈，一组用于产生调制磁场，另一组用于产生补偿磁场。将整个线圈固定在一个立方体线圈架上，原子气室置于线圈中心。其中Z方向为标准方型亥姆霍兹线圈，间距是线圈边长的0.5445倍。X和Y方向的亥姆霍兹线圈间距与线圈边长相等。利用补偿线圈将外界磁场补偿为零，调制线圈施加调制磁场，将低频信号调制到高频。
[0016]信号探测部分包括1/2波片、沃拉斯顿棱镜、聚焦透镜和平衡探测器；其中，第二保偏反射镜反射的光经过1/2波片和沃拉斯顿棱镜后，光束分为两束，再通过一个聚焦透镜将两束光聚焦在平衡探测器的两个光电探测器(PD)上，测量旋光角，椭圆偏振光的线偏振成分通过旋光角的改变反映原子自旋极化的变化，进而得到外界磁场的大小。对原子自旋极化的探测采用旋光探测方式，可以极大的减少VCSEL激光器的频率抖动对SERF磁力仪灵敏度的影响。
[0017]本专利技术由于采用了以上的技术方案，采用VCSEL激光器作为光源，将激光器集成到磁力仪探头中，减少环境振动带来的影响，同时使得磁力仪装置更加灵活。避免了光纤传输方案在临床应用中面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于：包括光源部分、光路部分、原子气室部分、磁场部分以及信号探测部分；其中，光源部分选用VCSEL激光器(1)，激光频率调谐至旋光角接近最大的波段；光路部分将VCSEL激光器(1)发出的光调整为椭圆偏振光；信号探测部分采用旋光探测方式测量外界磁场大小。2.根据权利要求1所述的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于，光源部分包括VCSEL激光器(1)和准直透镜(2)；其中，VCSEL激光器(1)的波长与铷原子D1线失谐约20
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30G，VCSEL激光器(1)发出的光经过准直透镜(2)成为平行光。3.根据权利要求1所述的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于，光路部分包括线偏振片(3)、1/4波片(4)、第一保偏反射镜(5)和第二保偏反射镜(6)；其中，平行光经过线偏振片(3)、1/4波片(4)后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过第一保偏反射镜(5)后透过原子气室(14)，再经过第二保偏反射镜(6)到达信号探测部分。4.根据权利要求1所述的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于，原子气室部分包括安装在氮化硼加热壳(11)内的原子气室(14)，原子气室(14)位于亥姆霍兹线圈(13)中心，在氮化硼加热壳(11)上绕无磁高阻加热线(12)，对原子气室(14)进行均匀加热。氮化硼加热壳(...

【专利技术属性】
技术研发人员：林强，黄宇翔，张桂迎，曾红健，李昊，刘国磊，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：