本发明专利技术提供一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法，通过在测量系统中引入数字微镜阵列DMD，通过调整DMD微镜反射区域使探测光通过各测量点，调整驱动磁场的频率使测量点处原子发生核磁共振，进而得到小范围内静磁场的空间分布，测量方法和光路结构简单，磁场灵敏度和空间分辨率较高。磁场灵敏度和空间分辨率较高。磁场灵敏度和空间分辨率较高。
【技术实现步骤摘要】
基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法
[0001]本专利技术属于磁场测量
，特别涉及一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法。
技术介绍
[0002]随着量子领域技术的发展，基于原子自旋的磁场测量是当今科技发展的一个重要领域。现有的磁通门、超导磁力仪等磁传感器技术难以进行小尺度空间的磁场测量。
[0003]利用原子自旋测量磁场梯度在灵敏度和空间分辨率上极具优势，已成为小尺度空间磁场测量的一种可行有效的方法，并在生物磁显微、量子仪表制造等领域具有广泛的应用价值，但现有原子自旋测量方法不能实现微米量级上磁场信息的测量。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法，通过在测量系统中引入数字微镜阵列DMD，通过调整DMD微镜反射区域使探测光通过各测量点，调整驱动磁场的频率使测量点处原子发生核磁共振，进而得到小范围内静磁场的空间分布，测量方法和光路结构简单，磁场灵敏度和空间分辨率较高。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，包括探测光路、泵浦光路、原子气室、温度和磁场控制系统和信号采集处理系统；
[0007]探测光路包括探测光发生组件、数字微镜阵列DMD和探测光分光装置；数字微镜阵列DMD将探测光发生组件发出的线偏振态探测光反射至原子气室内部各测量点，携带各测量点磁场信息的探测光通过探测光分光装置后传输至信号采集处理系统；
[0008]泵浦光路用于产生泵浦光并传输至原子气室；
[0009]原子气室内原子在泵浦光作用下发生极化，并在待测磁场、温度和磁场控制系统的作用下产生核磁共振，使原子自旋的宏观磁矩进行Larmor进动；
[0010]温度和磁场控制系统用于激发和保持原子气室内的原子的Larmor进动，并根据信号采集处理系统得到参数信息调整驱动磁场频率，进而调整原子进动状态；
[0011]信号采集处理系统接收由探测光路输入的各监测点产生的探测光，得到反应原子进动状态的参数信息；根据所述参数信息得到各位置磁场信息。
[0012]进一步的，探测光发生组件包括探测光激光器、第一偏振片、第一透镜和λ/2波片；
[0013]所述探测光激光器用于发出探测光，探测光波长为原子气室中碱金属原子D2线跃迁频率对应的波长；探测光依次经第一偏振片变为线偏振光、经第一透镜使光斑直径放大至能覆盖原子气室、经λ/2波片调整偏振方向。
[0014]进一步的，探测光分光装置为偏振分束器，用于将携带各测量点磁场信息的探测光分为两路偏振方向相互垂直的的线偏振光，同时结合λ/2波片调整所述线偏振光光强度相等。
[0015]进一步的，探测光路还包括位于数字微镜阵列DMD和原子气室之间的第二透镜，以及位于原子气室和探测光分光装置之间的第三透镜，用于消除探测光在传输过程中发生的衍射。
[0016]进一步的，温度和磁场控制系统包括磁屏蔽装置、驱动磁场线圈和加热体，所述加热体设于原子气室的外围，用于维持原子气室温度；所述加热体包括金属壳体、包裹金属壳体的柔性加热片，以及设于金属壳体内部的热敏电阻，所述热敏电阻用于实现温度的实时测量；
[0017]驱动磁场线圈设于所述加热体外围，用于产生驱动磁场；磁屏蔽装置设于驱动磁场线圈外围，用于屏蔽外部干扰磁场。
[0018]进一步的，泵浦光路包括泵浦光激光器、第二偏振片、扩束准直透镜、λ/4波片，泵浦光激光器用于产生泵浦光，所述泵浦光波长为原子气室中碱金属原子D1线跃迁频率对应的波长；
[0019]泵浦光依次经第二偏振片使变为线偏振光，经扩束准直透镜放大泵浦光光斑使其覆盖原子气室并减小光斑发散角，经λ/4波片将线偏振光变成圆偏振光。
[0020]进一步的，信号采集处理系统包括光电探测器和信号处理系统，2个光电探测器分别接收所述两路偏振方向相互垂直的的线偏振光，并将光信号转换为电信号输入信号处理系统。
[0021]进一步的，原子气室内，泵浦光的光路与探测光的光路垂直设置。
[0022]进一步的，原子气室内，驱动磁场方向与泵浦光和探测光光路所在平面垂直，驱动磁场、泵浦光光路和探测光管路三者方向呈右手螺旋定则分布。
[0023]进一步的，原子气室尺寸≤3
×3×
3mm3，所述一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统空间分辨率≥15μm；
[0024]一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量方法，采用上述一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统实现，包括以下步骤：
[0025]S1泵浦光路产生泵浦光并传输至原子气室，探测光发生组件发出线偏振态的探测光并通过数字微镜阵列DMD反射至原子气室中心点，携带中心点磁场信息的探测光传输至探测光分光装置，进行分光；
[0026]S2探测光信号采集处理系统接收分光后的探测光，得到反应原子Larmor进动状态的参数信息，所述参数信息包括原子进动信号的幅值和频率；
[0027]S3根据原子进动的幅值调整温度和磁场控制系统中驱动磁场的频率；
[0028]S4根据原子进动信号幅值最大时的原子进动信号频率，即原子达到最佳核磁共振状态时的频率，得到原子气室中心点的磁场信息；
[0029]S5以S1中的中心点为基准，调整数字微镜阵列DMD中的相应微镜，使探测光反射至原子气室内部其他测量点；
[0030]S6重复步骤S2～S5，得到垂直于探测光方向上的平面中各测量点的磁场信息，进而得到待测磁场在与探测光垂直平面上的磁场梯度。
[0031]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0032](1)本专利技术一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统中，利用DMD和光电探测器结合，提高了空间分辨率，测量方法和光路结构简单，磁场灵敏度和空间分辨率
较高。
[0033](2)本专利技术一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量方法，通过调整驱动磁场频率得到原子最佳共振态，可通过探测光输出信号的强度和频率直接得到测量点处磁场的标量信息。
[0034](3)本专利技术一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，核心部件原子气室可做到3
×3×
3mm3以内大小，磁场线圈和加热片均采用柔性板制作，具有小型化的潜力。
附图说明
[0035]图1为本专利技术一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统的示意图。
具体实施方式
[0036]下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0037]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，其特征在于，包括探测光路、泵浦光路、原子气室(7)、温度和磁场控制系统和信号采集处理系统；探测光路包括探测光发生组件、数字微镜阵列DMD(5)和探测光分光装置；数字微镜阵列DMD(5)将探测光发生组件发出的线偏振态探测光反射至原子气室内部各测量点，携带各测量点磁场信息的探测光通过探测光分光装置后传输至信号采集处理系统；泵浦光路用于产生泵浦光并传输至原子气室；原子气室(7)内原子在泵浦光作用下发生极化，并在待测磁场、温度和磁场控制系统的作用下产生核磁共振，使原子自旋的宏观磁矩进行Larmor进动；温度和磁场控制系统用于激发和保持原子气室内的原子的Larmor进动，并根据信号采集处理系统得到参数信息调整驱动磁场频率，进而调整原子进动状态；信号采集处理系统接收由探测光路输入的各监测点产生的探测光，得到反应原子进动状态的参数信息；根据所述参数信息得到各位置磁场信息。2.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，其特征在于，所述探测光发生组件包括探测光激光器(1)、第一偏振片(2)、第一透镜(3)和λ/2波片(4)；所述探测光激光器(1)用于发出探测光，探测光波长为原子气室(7)中碱金属原子D2线跃迁频率对应的波长；探测光依次经第一偏振片(2)变为线偏振光、经第一透镜(3)使光斑直径放大至能覆盖原子气室(7)、经λ/2波片(4)调整偏振方向。3.根据权利要求2所述的一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，其特征在于，所述探测光分光装置为偏振分束器(13)，用于将携带各测量点磁场信息的探测光分为两路偏振方向相互垂直的的线偏振光，同时结合λ/2波片(4)调整所述线偏振光光强度相等。4.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，其特征在于，所述探测光路还包括位于数字微镜阵列DMD(5)和原子气室(7)之间的第二透镜(6)，以及位于原子气室(7)和探测光分光装置之间的第三透镜(12)，用于消除探测光在传输过程中发生的衍射。5.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，其特征在于，所述温度和磁场控制系统包括磁屏蔽装置(8)、驱动磁场线圈(10)和加热体(11)，所述加热体(11)设于原子气室(7)的外围，用于维持原子气室温度；所述加热体(11)包括金属壳体、包裹金属壳体的柔性加热片，以及设于金属壳体内部的热敏电阻，所述热敏电阻用于实现温度的实时测量；驱动磁场线圈(10)设于所述加热体(11)外围，用于产生驱动磁场；磁屏蔽装置(8)设于驱动磁场线圈(10)外围，用于屏蔽...
【专利技术属性】
技术研发人员：范晓婷，刘院省，庄铭今，王学锋，黄伟，霍丽君，贺宇，李新坤，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：
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