一种分离式CPT原子磁力仪系统技术方案

本申请涉及原子磁力仪领域，具体公开了一种相干布居囚禁CPT原子磁力仪系统，包括：第一单模保偏VCSEL激光器、第一光纤准直器、λ/2波片、原子气室、第一全反镜和第一CPT用探测器；第一单模保偏VCSEL激光器发出的光经第一光纤准直器射入λ/2波片；λ/2波片射出的线偏振光经过λ/2波片和原子气室之间的自由空间射入原子气室，并射入第一全反镜；第一全反镜反射的光经过原子气室和自由空间射入第一CPT用探测器。无需使用光/电缆连接磁传感头，完全做到无磁设计，通过λ/2波片设置获得最佳的CPT信号的特点。因此CPT原子磁力仪系统能够提升信噪比和精确度，并且结构简单，易于工程化。易于工程化。易于工程化。

【技术实现步骤摘要】
一种分离式CPT原子磁力仪系统


[0001]本申请涉及原子磁力仪的
，特别是一种分离式CPT原子磁力仪系统。

技术介绍

[0002]随着科学研究的不断发展，弱磁场的高精确测量作为研究磁体、分析物理形态及性质的一种重要手段已经获得了广泛应用。如地质勘查中进行地形地貌研究、绘制全球高精度地磁场分布图、水下磁性目标定位等领域。原子磁力仪是一种具有超高灵敏度的磁力仪，也是微弱磁场测量领域最前沿的研究方向。CPT原子磁力仪作为新一代原子磁力仪相较于其他常用的原子磁力仪而言，具有全向测量，体积小，功耗低等优点。
[0003]目前CPT原子磁力仪的磁传感头必须通过光/电缆与主机进行有线连接，光/电缆的机械扰动容易对CPT信号产生噪声干扰，降低了仪器的信噪比。
[0004]而且大多数CPT原子磁力仪均采用双色圆偏振光(图1所示)的Λ型态制备方案，该方案最大的缺点是光抽运使大量原子积累于基态超精细子能级|F
g
＝2，m
F
＝2>，形成极化暗态而不能参与CPT态制备使参加CPT共振的布居数减少，导致CPT信号对比度较小，限制了CPT原子磁力仪信噪比的提高。
[0005]目前CPT原子磁力仪大多采用VCSEL输出的调制光中的
±
1级边带对CPT信号产生作用，其它光频，例如0级，
±
2级等边带对CPT信号无贡献，但均被探测器一并接收，导致信号的本地光噪声大。因此也导致CPT信号对比度低，限制了CPT原子磁力仪信噪比的提高，从而进一步限制了CPT原子磁力仪精确度的提高。

技术实现思路

[0006]本申请提供一种CPT原子磁力仪系统和磁场测量方法，无需使用光/电缆连接磁传感头，且磁传感头上无任何光/电子器件，完全做到无磁设计，并实现无线控温以及通过λ/2波片设置获得最佳的CPT信号的特点。因此基于该方法的CPT原子磁力仪系统能够提升信噪比和精确度，并且结构简单，易于工程化。
[0007]第一方面，提供了一种CPT原子磁力仪系统，包括：第一单模保偏垂直腔面发射激光VCSEL激光器、第一光纤准直器、λ/2波片、原子气室、第一全反镜和第一CPT用探测器；
[0008]所述第一单模保偏VCSEL激光器与所述第一光纤准直器相连，所述第一单模保偏VCSEL激光器发出的光经所述第一光纤准直器射入所述λ/2波片；
[0009]所述λ/2波片和所述原子气室之间具有自由空间，所述第一全反镜位于所述原子气室的远离所述λ/2波片的一侧，所述λ/2波片射出的线偏振光经过所述自由空间射入所述原子气室，并射入所述第一全反镜；
[0010]所述第一全反镜反射的光经过所述原子气室和所述自由空间射入所述第一CPT用探测器。
[0011]与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：
[0012]本专利技术中的磁传感头与其他部件实现无线连接，完全避免了因光/电缆机械扰动
带来的噪声问题，较现有技术在测磁过程中提高了CPT信噪比。本专利技术中的磁传感头属于全光学磁传感头，无任何光/电子元器件，真正满足无磁特性，避免了因电加热及金属温度传感头带来的剩磁问题，较现有技术提高了测磁精确度。本专利技术中的λ/2波片针对待测磁场具有方向性问题，旋转λ/2波片可以获取到信噪比最佳的CPT信号，较现有技术在测量任意磁场情况下提高了测磁精确度。
[0013]本专利技术相比于现有技术具有无需使用光/电缆连接磁传感头，且磁传感头上无任何光/电子器件，完全做到无磁设计，并实现无线控温以及通过λ/2波片设置获得最佳的CPT信号的特点。因此基于该方法的CPT原子磁力仪系统能够提升信噪比和精确度，并且结构简单，易于工程化。
[0014]结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述CPT原子磁力仪系统还包括偏振分束棱镜和第二CPT用探测器，所述偏振分束棱镜设置在所述第一CPT用探测器的前端，所述偏振分束棱镜用于将来自所述第一全反镜的光分束为第一光信号和第二光信号，所述第一光信号射入所述第一CPT用探测器，所述第二光信号射入所述第二CPT用探测器。
[0015]通过第一CPT用探测器和第二CPT用探测器实现信号检测差分原理，有利于减少噪声，提升信噪比和精确度。
[0016]结合第一方面，在第一方面的第二种实现方式中，所述CPT原子磁力仪系统还包括对准用单模激光器、对准用光纤准直器、对准用探测器、对准用分束棱镜和对准用反射镜；
[0017]所述对准用单模激光器与所述对准用光纤准直器相连，所述对准用单模激光器发出的光经所述对准用光纤准直器并透过所述对准用分束棱镜，透过所述对准用分束棱镜的光用于射入对准用反射镜，并经所述对准用反射镜反射至所述对准用分束棱镜，来自所述对准用反射镜的光经所述对准用分束棱镜射入所述对准用探测器，所述对准用探测器检测的光强值用于反映对准程度。
[0018]由此确保λ/2波片射出的光可以对准射入第一全反镜。
[0019]结合第一方面，在第一方面的第三种实现方式中，所述CPT原子磁力仪系统还包括第二单模保偏VCSEL激光器、第二光纤准直器、储热层、反射镜和吸热玻璃；
[0020]所述第二单模保偏VCSEL激光器与所述第二光纤准直器相连，所述第二单模保偏VCSEL激光器发出的光经所述第二光纤准直器射入反射镜，所述反射镜将光反射至所述吸热玻璃，所述吸热玻璃与所述储热层相连，所述储热层包裹所述原子气室。
[0021]本专利技术中的原子气室控温系统通过红外激光加热，真正实现无线控温，避免了因电连接带来的剩磁噪声扰动问题，较现有技术提高了温度稳定性。
[0022]结合第一方面，在第一方面的第四种实现方式中，所述反射镜为半透半反镜，所述CPT原子磁力仪系统还包括第二全反镜，其中，来自所述第二光纤准直器的光透过所述半透半反镜射入所述第二全反镜，所述第二全反镜将光反射至所述吸热玻璃。
[0023]由此可以实现吸热玻璃多路加热，提高加热均匀性。
[0024]结合第一方面，在第一方面的第五种实现方式中，所述CPT原子磁力仪系统还包括保温层，所述保温层包裹所述储热层。
[0025]由此有利于减少不必要的散射，减少原子磁力仪的能量损耗。
[0026]结合第一方面，在第一方面的第六种实现方式中，所述CPT原子磁力仪系统还包括红外成像测温头，所述红外成像测温头用于检测所述原子气室的温度。
[0027]本专利技术中的原子气室控温系统通过红外激光加热与无接触式红外测温，真正实现无线控温，避免了因电连接带来的剩磁噪声扰动问题，较现有技术提高了温度稳定性。
[0028]第二方面，提供了一种磁场测量方法，其特征在于，所述方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的CPT原子磁力仪系统，所述方法包括：
[0029]驱动所述第一单模保偏VCSEL激光器进行第一扫描频率的光频扫描，并利用从所述第一CPT用探测器获取到的所述原子气室反馈的吸收峰信号，进行激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相干布居囚禁CPT原子磁力仪系统，其特征在于，包括：第一单模保偏垂直腔面发射激光VCSEL激光器(2)、第一光纤准直器(3)、λ/2波片(4)、原子气室(11)、第一全反镜(13)和第一CPT用探测器(20)；所述第一单模保偏VCSEL激光器(2)与所述第一光纤准直器(3)相连，所述第一单模保偏VCSEL激光器(2)发出的光经所述第一光纤准直器(3)射入所述λ/2波片(4)；所述λ/2波片(4)和所述原子气室(11)之间具有自由空间，所述第一全反镜(13)位于所述原子气室(11)的远离所述λ/2波片(4)的一侧，所述λ/2波片(4)射出的线偏振光经过所述自由空间射入所述原子气室(11)，并射入所述第一全反镜(13)；所述第一全反镜(13)反射的光经过所述原子气室(11)和所述自由空间射入所述第一CPT用探测器(20)。2.根据权利要求1所述的CPT原子磁力仪系统，其特征在于，所述CPT原子磁力仪系统还包括偏振分束棱镜(17)和第二CPT用探测器(18)，所述偏振分束棱镜(17)设置在所述第一CPT用探测器(20)的前端，所述偏振分束棱镜(17)用于将来自所述第一全反镜(13)的光分束为第一光信号和第二光信号，所述第一光信号射入所述第一CPT用探测器(20)，所述第二光信号射入所述第二CPT用探测器(18)。3.根据权利要求1所述的CPT原子磁力仪系统，其特征在于，所述CPT原子磁力仪系统还包括对准用单模激光器(1)、对准用光纤准直器(5)、对准用探测器(6)、对准用分束棱镜(7)和对准用反射镜(12)；所述对准用单模激光器(1)与所述对准用光纤准直器(5)相连，所述对准用单模激光器(1)发出的光经所述对准用光纤准直器(5)并透过所述对准用分束棱镜(7)，透过所述对准用分束棱镜(7)的光用于射入对准用反射镜(12)，并经所述对准用反射镜(12)反射至所述对准用分束棱镜(7)，来自所述对准用反射镜(12)的光经所述对准用分束棱镜(7)射入所述对准用探测器(6)，所述对准用探测器(6)检测的光强值用于反映对准程度。4.根据权利要求1所述的CPT原子磁力仪系统，其特征在于，所述CPT原子磁力仪系统还包括第二单模保偏VCSEL激光器(21)、第二光纤准直器(19)、储热层(10)、反射镜和吸热玻璃(15)；所述第二单模保偏VCSEL激光器(21)与所述第二光纤准直器(19)相连，所述第二单模保偏VCSEL激光器(21)发出的光经所述第二光纤准直器(19)射入反射镜，所述反射镜将光反射至所述吸热玻璃(15)，所述吸热玻璃(15)与所述储热层(10)相连，所述储热层(10)包裹所述原子气室(11)。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢向东，王学锋，李明阳，李建军，和焕雪，徐强锋，邓意成，刘院省，
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：