一种单光束双通道的原子磁强计系统技术方案

一种单光束双通道原子磁强计系统，通过具有单光束输入接口的双通道表头内设置的组合偏振分光棱镜能够将单光束分束为第一抽运光束和第二抽运光束以分别作用于第一碱金属气室和第二碱金属气室，能够同时获得双通道磁场信息，具有灵敏度高、集成度高的特点，有利于形成高密度磁强计阵列，服务于脑磁、心磁测量等领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
一种单光束双通道的原子磁强计系统


[0001]本专利技术属于磁强计
，具体涉及一种单光束双通道原子磁强计系统，通过具有单光束输入接口的双通道表头内设置的组合偏振分光棱镜能够将单光束分束为第一抽运光束和第二抽运光束以分别作用于第一碱金属气室和第二碱金属气室，能够同时获得双通道磁场信息，具有灵敏度高、集成度高的特点，有利于形成高密度磁强计阵列，服务于脑磁、心磁测量等领域。

技术介绍

[0002]磁场广泛存在于宏观宇宙与微观粒子中，对磁场信息的获取与理解能够帮助我们更好的理解这个世界。精确的磁场测量，在生物磁场检测、医学、资源勘探、反潜等领域起着极为重要的作用，特别是生物磁场测量将促进对生命科学的研究发展。磁强计是一种探测磁场的仪器，国内外普遍采用的磁计量领域所用仪器主要有磁通门磁强计和光泵原子磁强计，普通的磁通门磁强计灵敏度仅为nT量级，国外公司生产的高精度磁通门磁强计灵敏度可达pT量级。但是磁通门磁强计由于其基本原理的限制，存在零偏和漂移大、温度稳定性差等缺点，因此在实际使用环境中精度受到很大限制。原子磁强计旨在实现自然状态下的无损被动磁场测量，实现精确磁源定位以及弱磁性能评估。随着量子精密测量技术的不断发展，出现了基于无自旋交换弛豫(Spin
‑
Exchange Relaxation Free Regime,SERF)原子磁强计，其具有极高的理论灵敏度，然而目前单光束SERF原子磁强计的磁场测量灵敏度接近极限，测量效率低，单通道体积难以进一步降低，不利于阵列式磁场测量，同时多通道应用时需要外部一定隔离，磁强计阵列的密度低。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种单光束双通道原子磁强计系统，通过具有单光束输入接口的双通道表头内设置的组合偏振分光棱镜能够将单光束分束为第一抽运光束和第二抽运光束以分别作用于第一碱金属气室和第二碱金属气室，能够同时获得双通道磁场信息，具有灵敏度高、集成度高的特点，有利于形成高密度磁强计阵列，服务于脑磁、心磁测量等领域。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种单光束双通道原子磁强计系统，其特征在于，包括双通道表头，所述双通道表头具有单光束输入接口，所述双通道表头的内腔设置有组合偏振分光棱镜，所述组合偏振分光棱镜将单光束分束为第一抽运光束和第二抽运光束，所述第一抽运光束用于抽运第一碱金属气室中的原子，所述第二抽运光束用于抽运第二碱金属气室中的原子。
[0006]所述组合偏振分光棱镜包括偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的x轴向输入侧连接所述单光束输入接口，x轴向透射侧设置有第三λ/4波片，所述第三λ/4波片的外表面设置有反射膜，所述偏振分光棱镜的y轴正向反射侧设置有第一λ/4波片，y轴负向反射侧设置有第二λ/4波片，所述偏振分光棱镜将x轴向入射的线偏振光分束为沿y轴正向反射的第一竖
直偏振光和沿x轴向透射的水平偏振光，所述第一λ/4波片将所述第一竖直偏振光改变成作为所述第一抽运光束的第一圆偏振光，所述水平偏振光经过所述第三λ/4波片后再被所述反射膜反射回来形成沿y轴负向反射的第二竖直偏振光，所述第二λ/4波片将所述第二竖直偏振光改变成作为所述第二抽运光束的第二圆偏振光。
[0007]所述第一λ/4波片通过所述第一碱金属气室连接第一光电探测器，所述第二λ/4波片通过所述第二碱金属气室连接第二光电探测器，所述第一碱金属气室的外侧设置有第一无磁电加热膜，所述第二碱金属气室的外侧设置有第二无磁电加热膜，所述第一碱金属气室和第二碱金属气室均位于三维磁线圈内，所述单光束输入接口连接光纤准直器的输出端，所述光纤准直器的输入端通过保偏光纤连接抽运激光器，光电探测器用于将光信号转换成电信号输送给锁相放大器进行解调。
[0008]所述光纤准直器的准直透镜将发散的保偏光束转变成扩束的直径与碱金属气室外径边长长度相当的准直光后射入所述双通道表头。
[0009]所述第一碱金属气室内和第二碱金属气室内均包括碱金属原子和缓冲气体，所述碱金属原子为工作原子，工作时处于无自旋交换弛豫态，所述缓冲气体为惰性气体，用来减少原子间的自旋碰撞，通过激光泵浦作用使所述碱金属原子的最外层电子自旋形成宏观极化，宏观极化在待测外磁场B0的作用下形成拉莫尔进动，透过原子气室后的光强便会随着待测磁场强度大小变化，通过检测磁场强度变化引起的原子气室对光吸收的变化，测得x轴方向磁场强度。
[0010]检测待测磁场时，通过在待测磁场方向增加已知磁场强度和调制频率的调制磁场，通过光电探测器接收到的光束光强大小与沿激光方向的横向极化率S
x
成正比，光电探测器接收到的光束光强信号经由锁相放大器在所加调制磁场频率处解调后，锁相放大器的最终信号输出与S
x
的一次谐波分量S
xMod
成正比，S
xMod
由下式定义:
[0011][0012]其中，u为调制指数，Ω1表示碱金属原子在磁场B1中的拉莫尔进动频率，Ω1＝γB1，γ为碱金属原子的旋磁比，Ω0表示碱金属原子在待测磁场B0中的拉莫尔进动频率，Ω0＝γB0，ω为所施加的调制磁场的频率，Q为高极化率条件下碱金属原子核减慢因子值，J0(u)、J1(u)分别为以u为参变量的第一类0阶贝塞尔函数和第一类1阶贝塞尔函数，为碱金属原子的横向弛豫时间，Γ
’
为横向弛豫率，Γ为碱金属原子自旋弛豫率，R为抽运光的光泵浦率。
[0013]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种单光束双通道原子磁强计系统，包括激光光源、保偏光纤、光纤准直器、双通道表头，其中，双通道表头包含碱金属气室、无磁电加热膜、三维磁线圈、分光模块、光电探测器。其中，光纤准直器使进入光纤中的激光准直或者聚焦成特定的光束直径或者光斑尺寸射入探头；碱金属气室内充有碱金属原子；无磁电加热膜、三维磁线圈使碱金属原子工作在高温、低磁场环境下，保证其高效抽运；分束模块包括偏振分束棱镜、λ/4波片、反射膜；激光器发出的光经过光纤传输到光纤准直器准直后，由分束模块产生两束独立反向的光同时抽运两通道原子气室原子，最后由光电探测器接收；光电探
测器接收到的光由锁相放大器解调出测量结果，激光用于敏感原子磁强计轴向方向的磁场强度。其优点在于分束模块将激光分为所需的两路激光并获得所需的偏振态，激光质量高且易于控制调节，同时通过一个激光器光源输出足够功率便于实现集成式、阵列化多个探头的脑磁和心磁测量装置。本专利技术能同时获得两通道原子磁强计轴向的磁场信息，且具有灵敏度高、集成度高的特点，在脑磁与心磁测量等领域有广泛的应用前景。
附图说明
[0014]图1是实施本专利技术一种单光束双通道的原子磁强计系统结构示意图。
[0015]图2是图1中双通道表头的结构示意图。
[0016]图3是图2中组合分光棱镜的结构示意图。
[0017]附图标记列示如下：1
‑
抽运激光器；2
‑
保偏光纤；3
‑
光纤准直器；4...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光束双通道原子磁强计系统，其特征在于，包括双通道表头，所述双通道表头具有单光束输入接口，所述双通道表头的内腔设置有组合偏振分光棱镜，所述组合偏振分光棱镜将单光束分束为第一抽运光束和第二抽运光束，所述第一抽运光束用于抽运第一碱金属气室中的原子，所述第二抽运光束用于抽运第二碱金属气室中的原子。2.根据权利要求1所述的单光束双通道原子磁强计系统，其特征在于，所述组合偏振分光棱镜包括偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的x轴向输入侧连接所述单光束输入接口，x轴向透射侧设置有第三λ/4波片，所述第三λ/4波片的外表面设置有反射膜，所述偏振分光棱镜的y轴正向反射侧设置有第一λ/4波片，y轴负向反射侧设置有第二λ/4波片，所述偏振分光棱镜将x轴向入射的线偏振光分束为沿y轴正向反射的第一竖直偏振光和沿x轴向透射的水平偏振光，所述第一λ/4波片将所述第一竖直偏振光改变成作为所述第一抽运光束的第一圆偏振光，所述水平偏振光经过所述第三λ/4波片后再被所述反射膜反射回来形成沿y轴负向反射的第二竖直偏振光，所述第二λ/4波片将所述第二竖直偏振光改变成作为所述第二抽运光束的第二圆偏振光。3.根据权利要求2所述的单光束双通道原子磁强计系统，其特征在于，所述第一λ/4波片通过所述第一碱金属气室连接第一光电探测器，所述第二λ/4波片通过所述第二碱金属气室连接第二光电探测器，所述第一碱金属气室的外侧设置有第一无磁电加热膜，所述第二碱金属气室的外侧设置有第二无磁电加热膜，所述第一碱金属气室和第二碱金属气室均位于三维磁线圈内，所述单光束输入接口连接光纤准直器的输出端，所述光纤准直器的输入端通过保偏光纤连接抽运激光器，光电探测器用于将光信号转换成电信号输送给锁相放大器进行解调。4.根据权利要求1所述的单光束双通道原子磁强计系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘颖，袁子琪，张耀华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：