一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计制造技术

一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，利用单束激光同时实现碱金属原子的极化与旋光角信号的检测，结合光纤EOM对线偏振光强度的交流调制，不仅可以高精度地实现地磁环境下的磁场测量，同时简化了系统的复杂程度，降低了系统功耗，有利于磁强计的小型化与便携式应用。同时，利用琼斯矩阵推导光纤EOM光强度调制的差分输出信号，可直观、定量分析各调制参数对输出信号的影响，为提升灵敏度等指标提供理论基础。除此之外，采用锁相放大器提取磁场信号，可有效避免系统低频噪声的干扰，提高磁强计的灵敏度。强计的灵敏度。强计的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计


[0001]本专利技术涉及原子磁强计
，特别是一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，通过单束激光同时极化和检测原子系综，结合结构紧凑的光纤EOM，对线偏振光强度调制，可在地磁环境下便携且高精度探测微弱磁场信号，可广泛应用于磁异常探测、生命健康监测、地球物理勘测等领域。

技术介绍

[0002]磁强计是生物学、地球物理、医疗等许多研究领域的基本工具，是测量磁信号的必不可少的工具。近年来，随着近共振光与磁场中原子的相互作用的发展与应用，基于非线性磁光旋转(NMOR，Nonlinear magneto
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optical rotation)效应磁强计成为研究领域的重点，相比于超导量子干涉仪(SQUID，superconducting quantum interference device)、SERF原子磁强计等(SERF，spin
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exchange relaxation free，无自旋交换弛豫)，NMOR原子磁强计具有动态范围广、装置简单、应用环境要求低，且可以保持超高灵敏度的优势，为实现紧凑、经济和便携式超灵敏磁性传感器的应用提供了可能。目前，NMOR原子磁强计大多为双光束结构，采用声光调制器(AOM，acousto
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optic modulator)进行调制。其缺点为AOM需要单独的声场驱动模块且功耗较大，加之双光束结构使整个系统结构复杂，不利于小型化和便携式发展。采用单光束结构的NMOR原子磁强计也采用了声光调制器(AOM)进行调制，同样存在上述问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，通过单束激光同时极化和检测原子系综，结合结构紧凑的光纤EOM(Electro
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optical modulator，电光调制器)，功耗低，结构简单，可在地磁环境下高精度地探测微弱磁场信号，是一种适用于地磁条件弱磁测量，可实现便携、高集成度、高精度的系统。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，其特征在于，包括位于气室单光束入射侧的带有光纤EOM的原子极化系统，位于气室单光束出射侧的差分检测系统，以及分别连接所述原子极化系统和所述差分检测系统的电路系统，所述光纤EOM调制光强度信号，所述原子极化系统输出单光束到气室中以对气室内的碱金属原子进行极化，所述差分检测系统将从所述气室出射的单光束中获得碱金属原子在磁场中拉莫尔进动产生的旋光角信号，所述电路系统包括信号发生器和锁相放大器，所述信号发生器输出直流信号驱动光纤EOM，所述锁相放大器产生射频信号调制光纤EOM，并解调旋光角信号输出磁场信息，实现对磁场的测量。
[0006]所述原子极化系统包括通过第一光纤连接所述光纤EOM的激光器，所述光纤EOM通过第二光纤连接光纤准直头，所述光纤准直头通过格兰棱镜将单光束输入所述气室，所述
气室的外围设置有无磁电加热装置，所述差分检测系统包括差分放大运算电路，所述差分放大运算电路的输出端连接锁相放大器的差分检测信号输入端，所述差分放大运算电路的负向输入端连接第一光电探测器的输出端，所述差分放大运算电路的正向输入端连接第二光电探测器的输出端，第一光电探测器的输入端连接偏振分束棱镜的透射端，第二光电探测器的输入端连接偏振分束棱镜的反射端，所述偏振分束棱镜的输入端通过二分之一波片接收所述气室出射的单光束。
[0007]所述光纤准直头将激光器输出的光以一定的光斑大小导入光路中，所述格兰棱镜输出高消光比的线偏振光，所述线偏振光进入气室极化原子，所述光纤EOM根据不同的射频信号和/或不同的驱动信号输出不同频率与幅度的光强信号。
[0008]所述差分检测系统的差分输出信号P：
[0009][0010]其中I
pbsT
是偏振分束棱镜透射光强，I
pbsF
是偏振分束棱镜反射光强，I0是输入光路的初始光强，是旋光角，u是调制信号幅值，ω
m
是调制信号频率，U
λ/2
是光纤EOM的半波电压，t是时间。
[0011]基于非线性旋光效应，旋光角
[0012][0013]其中g是朗德因子，μ是波尔磁子，B是外界磁场，是约化普朗克常数，Γ是线宽，l是气室长度，l0是吸收长度。
[0014]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，利用单束激光同时实现碱金属原子的极化与旋光角信号的检测，结合光纤EOM对线偏振光强度的交流调制，不仅可以高精度地实现地磁环境下的磁场测量，同时简化了系统的复杂程度，降低了系统功耗，有利于磁强计的小型化与便携式应用。同时，利用琼斯矩阵推导光纤EOM光强度调制的差分输出信号，可直观、定量分析各调制参数对输出信号的影响，为提升灵敏度等指标提供理论基础。除此之外，采用锁相放大器提取磁场信号，可有效避免系统低频噪声的干扰，提高磁强计的灵敏度。
附图说明
[0015]图1为实施本专利技术一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计结构示意图。
[0016]附图标记含义为：1为气室，2为无磁电加热装置，3为原子极化系统，4为差分检测系统，5为电路系统，31为激光器，32为光纤EOM(Electro
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optical modulator，电光调制器)，33为光纤准直头，34为格兰棱镜，41为二分之一波片，42为偏振分束棱镜，43为第一光电探测器，44为第二光电探测器45为差分放大运算电路，51为信号发生器(直流信号输出端CH1或CH2)，52为锁相放大器(包括磁场信息输出端OUT，差分检测信号输入端IN，射频信号输出端)。
具体实施方式
[0017]下面结合附图(图1)和实施例对本专利技术进行说明。
[0018]图1为实施本专利技术一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计结构示意图。参考图1所示，一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，包括位于气室1单光束入射侧的带有光纤EOM32的原子极化系统3，位于气室1单光束出射侧的差分检测系统4，以及分别连接所述原子极化系统3和所述差分检测系统4的电路系统5，所述光纤EOM32调制光强度信号，所述原子极化系统3输出单光束到气室1中以对气室1内的碱金属原子进行极化，所述差分检测系统4将从所述气室1出射的单光束中获得碱金属原子在磁场中拉莫尔进动产生的旋光角信号，所述电路系统5包括信号发生器51和锁相放大器52，所述信号发生器51输出直流信号驱动光纤EOM32，所述锁相放大器52产生射频信号调制光纤EOM32，并解调旋光角信号输出磁场信息，实现对磁场的测量。
[0019]所述原子极化系统3包括通过第一光纤连接所述光纤EOM32的激光器31，所述光纤EOM32通过第二光纤连接光纤准直头33，所述光纤准直头33通过格兰棱镜34将单光束输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，其特征在于，包括位于气室单光束入射侧的带有光纤EOM的原子极化系统，位于气室单光束出射侧的差分检测系统，以及分别连接所述原子极化系统和所述差分检测系统的电路系统，所述光纤EOM调制光强度信号，所述原子极化系统输出单光束到气室中以对气室内的碱金属原子进行极化，所述差分检测系统将从所述气室出射的单光束中获得碱金属原子在磁场中拉莫尔进动产生的旋光角信号，所述电路系统包括信号发生器和锁相放大器，所述信号发生器输出直流信号驱动光纤EOM，所述锁相放大器产生射频信号调制光纤EOM，并解调旋光角信号输出磁场信息，实现对磁场的测量。2.根据权利要求1所述的基于光纤EOM的单光束NMOR原子磁强计，其特征在于，所述原子极化系统包括通过第一光纤连接所述光纤EOM的激光器，所述光纤EOM通过第二光纤连接光纤准直头，所述光纤准直头通过格兰棱镜将单光束输入所述气室，所述气室的外围设置有无磁电加热装置，所述差分检测系统包括差分放大运算电路，所述差分放大运算电路的输出端连接锁相放大器的差分检测信号输入端，所述差分放大运算电路的负向输入端连接第一光电探测器的输出端，所述差分放大运算电路的正向输入端连接第二光电探测器的输出端，第一光电探测器的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，田孟楠，姜丽伟，刘佳丽，鲁正隆，柴延超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：