双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统技术方案

一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，包括：正对泵浦激光光源VCSEL设置的凸透镜、刀锋棱镜，以及沿光路同轴对称设置于刀锋棱镜两侧的左、右旋圆偏振片、铯原子气室、凸透镜、光电二极管以及对应相连的信号处理电路，铯原子气室的上、下侧设有用于无磁电加热的柔性加热片，气室外围设有亥姆霍兹线圈，通过刀锋棱镜分束后的同源激光分别经过圆偏振片后射入铯原子气室，出射光经过凸透镜会聚后由光电二极管采集光信号，信号处理电路基于光信号进一步驱动亥姆霍兹线圈以产生射频磁场。本发明专利技术极大地简化了光路、电路结构，便于系统的集成化和小型化，同时高度对称的设计也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。的设计也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。的设计也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统


[0001]本专利技术涉及的是一种磁力仪领域的技术，具体是一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统。

技术介绍

[0002]传统单气室铯光泵磁力仪可分为跟踪式和自激振荡式两种，跟踪式光泵磁力仪以扫频的方式确定共振频率点，响应时间长，而自激振荡式光泵磁力仪利用
‑
90
°
移相电路对共振信号相移进行补偿，以自激振荡的方式使铯原子维持在共振状态，可实现实时测量，但测量范围和灵敏度受到移相电路的限制。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有原子激光光泵磁力仪通过频率扫描的方式确定射频磁场的磁共振频率，响应时间较长，无法实现实时测量的不足，提出一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，以VCSEL作为泵浦激光光源，利用刀锋棱镜将激光分为反向同轴的两束光，分别将其转化为左旋、右旋圆偏振光并用于两个铯气室的泵浦。经过两个气室的光信号经过光电转换和信号处理后，分别用于驱动围绕在另一个气室周围的射频线圈。左旋、右旋圆偏振光泵浦分别使得输出光信号相对于射频磁场的相位偏移为+90
°
和
‑
90
°
，恰好实现相位互补，从而实现自激振荡，使铯原子维持在共振状态，避免了单气室自激振荡式光泵磁力仪中对输出信号移相
‑
90
°
的要求，极大地简化了光路、电路结构，便于系统的集成化和小型化，同时高度对称的设计也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，包括：正对泵浦激光光源VCSEL设置的凸透镜、刀锋棱镜，以及沿光路同轴对称设置于刀锋棱镜两侧的左、右旋圆偏振片、铯原子气室、凸透镜、光电二极管以及对应相连的信号处理电路，其中：圆柱形铯原子气室的上、下侧设有用于无磁电加热的柔性加热片，气室外围设有亥姆霍兹线圈，通过刀锋棱镜分束后的同源激光分别经过圆偏振片后射入铯原子气室，出射光经过凸透镜会聚后由光电二极管采集光信号，信号处理电路基于光信号进一步驱动亥姆霍兹线圈以产生射频磁场。
[0006]所述的自激驱动是指：铯原子在外磁场中作拉莫尔进动的频率与磁场大小成比例的特性，采用无磁电加热方式加热气室使铯元素处于蒸汽状态并控制温度稳定，使用VCSEL激光器发射波长为895nm的激光，经刀锋棱镜分束为反向同轴传播的两束光，转化为左、右旋圆偏振光后利用光泵浦效应极化铯原子，使其分布在特定的塞曼子能级并在对应频率的射频磁场的作用下发生磁共振，从而使得射出铯原子气室的光信号被拉莫尔进动频率调制，回路中产生自激振荡，通过检测光电信号频率即可解算出外磁场大小。
[0007]所述的柔性加热片为柔性PCB元件，位于铯原子气室的上、下侧的柔性加热片内电流路径重合方向相反，同一层内折返布线，使得加热电流产生的磁场尽可能抵消并通过负
反馈方式工作，利用NTC热敏电阻测得气室温度，与设定值进行比较，控制加热信号开关从而维持气室温度稳定。
[0008]所述的拉莫尔进动是指：原子具有磁矩，当处在外磁场中且外磁场方向和原子磁矩方向存在一个夹角，则磁矩受到磁场转矩的作用会发生进动，即拉莫尔进动。拉莫尔进动的角频率和外磁场的大小成正比，即ω＝γB。其中γ为旋磁比，是原子的固有常数。铯原子的旋磁比γ＝3.49857Hz/nT。
[0009]所述的塞曼子能级是指：铯原子核外电子的轨道结构分裂产生精细结构，精细结构分裂产生超精细结构。在外磁场作用下，超精细结构进一步分裂，超精细能级F分裂为2F+1个塞曼子能级，每个塞曼子能级上的粒子具有的磁量子数分别为m
F
＝
‑
F，
‑
F+1，
…
，F
‑
1，F。在一定磁场大小范围内，相邻两个塞曼子能级之间的能量间隔相等。
[0010]所述的光泵浦效应是指：基态上的原子受特定波长的泵浦激光作用，吸收能量跃迁至高能级激发态。并且，在原子跃迁过程中，磁量子数m
F
的变化量只能是0和
±
1。左旋偏振光σ
+
使得原子磁量子数m
F
+1，右旋偏振光σ
‑
使得磁量子数m
F
‑
1。采用左旋圆偏振光或右旋圆偏振光充分泵浦后，原子最终将全都处于基态的m
F
＝F或m
F
＝
‑
F塞曼子能级上，形成偏极化分布。
[0011]所述的磁共振是指：在外磁场的垂直方向上施加一个旋转磁场，若旋转磁场的能量恰好等于相邻塞曼子能级间的能量差，则原子将在同一超精细能级的不同塞曼子能级之间跃迁。磁共振作用使得原子分布被打乱，形成去极化分布。
[0012]所述的自激振荡是指：在左旋、右旋圆偏振光泵浦下，光信号相对射频磁场的发生的相位移动分别为+90
°
和
‑
90
°
，因此回路总相移恰好为零，在不施加外部激励信号的情况下可以自发产生稳定持续的振荡。
[0013]所述的外磁场，通过在共振状态下，通过检测光电信号频率，再除以铯原子的旋磁比得到。技术效果
[0014]本专利技术采用双原子气室和双泵浦光结构，利用刀锋棱镜对泵浦激光进行分束，使两束光反向同轴传播，左、右气室和各光学元件沿光轴对称设置，使得双气室和双光束泵浦结构可实现相移互补，避免单气室光泵磁力仪对移相电路的需要，拓宽磁力仪测量范围。两束泵浦光保持同轴反向传播，各光学镜片和气室沿光轴设置，高度对称的结构设计使系统具备很强的抗干扰能力，提升了磁力仪灵敏度，也便于系统集成化。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的结构示意图；
[0016]图中：泵浦激光光源VCSEL1、凸透镜2、8、15、刀锋棱镜3、左、右旋圆偏振片4、11、铯原子气室5、12、柔性加热片6、13、亥姆霍兹线圈7、14、光电二极管9、16、信号处理电路10、17；
[0017]图2为实施例效果示意图。
具体实施方式
[0018]如图1所示，为本实施例涉及一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵
磁力仪系统，包括：正对泵浦激光光源VCSEL1设置的凸透镜2、刀锋棱镜3，以及沿光路同轴对称设置于刀锋棱镜3两侧的左、右旋圆偏振片4、11、铯原子气室5、12、凸透镜8、15、光电二极管9、16，以及分别对应相连的信号处理电路10、17，其中：圆柱形铯原子气室5、12侧面设有柔性加热片6、13，铯原子气室5、12的外围设有亥姆霍兹线圈7、14，通过刀锋棱镜3的两束同源激光分别各自经过圆偏振后分别射入铯原子气室，出射光经过凸透镜会聚后由光电二极管采集光信号，信号处理电路基于光信号进一步驱动亥姆霍兹线圈以产生射频磁场实现光磁共振。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，其特征在于，包括：正对泵浦激光光源VCSEL设置的凸透镜、刀锋棱镜，以及沿光路同轴对称设置于刀锋棱镜两侧的左、右旋圆偏振片、铯原子气室、凸透镜、光电二极管以及对应相连的信号处理电路，其中：圆柱形铯原子气室的上、下侧设有用于无磁电加热的柔性加热片，气室外围设有亥姆霍兹线圈，通过刀锋棱镜分束后的同源激光分别经过圆偏振片后射入铯原子气室，出射光经过凸透镜会聚后由光电二极管采集光信号，信号处理电路基于光信号进一步驱动亥姆霍兹线圈以产生射频磁场；所述的自激驱动是指：铯原子在外磁场中作拉莫尔进动的频率与磁场大小成比例的特性，采用无磁电加热方式加热气室使铯元素处于蒸汽状态并控制温度稳定，使用VCSEL激光器发射波长为895nm的激光，经刀锋棱镜分束为反向同轴传播的两束光，转化为左、右旋圆偏振光后利用光泵浦效应极化铯原子，使其分布在特定的塞曼子能级并在对应频率的射频磁场的作用下发生磁共振，从而使得射出铯原子气室的光信号被拉莫尔进动频率调制，回路中产生自激振荡，通过检测光电信号频率即可解算出外磁场大小。2.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，其特征是，所述的柔性加热片为柔性PCB元件，位于铯原子气室的上、下侧的柔性加热片内电流路径重合方向相反，同一层内折返布线，使得加热电流产生的磁场尽可能抵消并通过负反馈方式工作，利用NTC热敏电阻测得气室温度，与设定值进行比较，控制加热信号开关从而维持气室温度稳定。3.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，其特征是，所述的拉莫尔进动是指：原子具有磁矩，当处在外磁场中且外磁场方向和原子磁矩方向存在一个夹角，则磁矩受到磁场转矩的作用会发生进动，即拉莫尔进动；拉莫尔进动的角频率和外磁场的大小成正比，即ω＝γB，其中：γ为旋磁比，是原子的固有常数；铯原子的旋磁比γ＝3.49857Hz/nT。4.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光泵浦的双气室自激驱动原子光泵磁力仪系统，其特征是，所述的塞曼子能级是指：铯原子核外电子的轨道结构分裂产生精细结构，精细结构分裂产生超精细结构；在外磁场作用下，超精细结构进一步分裂，超精细能级F分裂为2F+1个塞曼子能级，每个塞曼子能级上的粒子具有的磁量子数分别为m
F
＝
‑
F，
‑
F+1，
…
，F
‑
1，F；在一定磁场大小范围内，相邻两个塞曼子能级之间的能量间隔相等。5.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光泵浦的双气室自...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄艺明，骆曼箬，刘华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：