一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，属于光学技术和生物极弱磁探测领域，系统包括激光器、波长计、光纤耦合头、可调节分光单元、原子磁强计；激光器包括若干光纤耦合头，波长计与激光器的其中一个光纤耦合头连接，用于监测激光器发射的激光波长；激光器的其余光纤耦合头通过保偏光纤与可调节分光单元的光输入端连接，用于将激光器发射的偏振激光分为多路波长、功率相同的线偏振光；所述的可调节分光单元的多路光输出端分别连接独立的原子磁强计。本发明专利技术分光系统中的可调节分光单元等独立于原子磁强计敏感表头，各器部件间相互独立，集成度高，检测灵敏度高，在医学极弱磁测量领域有广泛的应用前景。在医学极弱磁测量领域有广泛的应用前景。在医学极弱磁测量领域有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统


[0001]本专利技术涉及光学技术和生物极弱磁探测领域，具体涉及一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，适用于例如成人心磁、脑磁和胎儿心磁图成像。

技术介绍

[0002]量子操控技术的发展大大促进了基于无自旋交换弛豫(spin exchange relaxation free，SERF)原子磁强计的发展，理论证明SERF原子磁强计具有探测亚飞特量级磁场强度的能力，小体积、低成本的高灵敏SERF原子磁强计的快速发展使得非侵入式的生物心磁、脑磁测量成为可能。而为了获得丰富的生物磁信号，生成人体心磁图(magnetocardiogarphy，MCG)和脑磁图(magnetoencephalography，MEG)则需要多通道阵列式的原子磁强计系统。
[0003]现有的商用原子磁强计探头内部集成有独立的激光器及其他光学元器件，没有独立于探头外的分光系统，因此在多通道阵列式生物磁探测应用中，无法将各通道波长、入射光强等光学集中、统一调整，探头间光学性能的一致性难以保证。另外，将光学器件集成在探头内部不仅增加单探头的成本，而且会限制单探头的体积进一步缩小，难以实现高空间分辨率。针对多通道阵列式原子磁强计在生物弱磁探测领域的应用，迫切需要设计新型的集成化低成本分光系统，使得各通道的光学参数调整更加便捷，减小单通道体积，提高空间分辨率，同时降低成本。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，分光系统中的可调节分光单元独立于原子磁强计敏感表头，且各器部件间相互独立，结构简单、集成度高，检测灵敏度高，在医学极弱磁测量领域有广泛的应用前景。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，包括激光器、波长计、光纤耦合头、可调节分光单元、原子磁强计；
[0007]所述的激光器包括若干光纤耦合头，波长计与激光器的其中一个光纤耦合头连接，用于监测激光器发射的激光波长；激光器的其余光纤耦合头通过保偏光纤与可调节分光单元的光输入端连接，用于将激光器发射的偏振激光分为多路波长、功率相同的线偏振光；所述的可调节分光单元的多路光输出端分别连接独立的原子磁强计。
[0008]进一步地，所述的激光器为DBR窄线宽激光器。
[0009]进一步地，所述的原子磁强计包括准直器、组合棱镜、原子磁强计敏感表头和光电探测器；由可调节分光单元输出的每一路线偏振光经过准直器准直后入射到组合棱镜，转变为圆偏振光后入射至原子磁强计敏感表头，各原子磁强计敏感表头内的碱金属气室吸收后的光信号由光电探测器探测后转变为电信号。
[0010]进一步地，所述的准直器的工作距离至少为10cm，所述的工作距离是准直器本身
的性能指标，表示准直器输出的光为高斯光的距离；且由准直器输出的光斑直径能够匹配原子磁强计敏感表头内碱金属气室的大小。
[0011]进一步地，所述的光电探测器用无磁胶水粘贴在原子磁强计敏感表头外部。
[0012]进一步地，所述的可调节光纤分束单元由分束器、步进电机和衰减器组成，所述的分束器的光输入端与激光器的光纤耦合头相连，分束器的若干光输出端分别连接衰减器，各光路中通过衰减器的光信号强度通过步进电机调节。
[0013]进一步地，所述的衰减器采用机械式可调光衰减器，步进电机的电机轴与机械式可调光衰减器的调节旋钮连接。
[0014]进一步地，还包括数据采集卡和上位机，所述的上位机分别与数据采集卡和可调节光纤分束单元各光路中的步进电机连接；所述的数据采集卡用于采集连接各光路的原子磁强计的光电信号，所述光电信号由上位机处理后生成步进电机控制信号，步进电机根据控制信号大小调节衰减器的遮光深度，保证各路光强一致。
[0015]进一步地，所述的组合棱镜由线偏振片、四分之一波片和直角反棱镜胶合而成，所述的偏振组合棱镜的出入射面设有增透膜。由准直器出射的线偏振光经过组合棱镜后变为左旋圆偏振激光，所述的左旋圆偏振激光的波长能够抽运碱金属原子的D1线。
[0016]进一步地，所述的可调节分光单元的分光路数范围为2～8。
[0017]本专利技术中，激光器输出的特定波长线偏振光经由保偏光纤后入射到配有步进电机和衰减器的可调节光纤分束单元，通过步进电机控制衰减器可独立调节各路激光的光强大小。经过可调节光纤分束单元后，各路激光由保偏光纤束出射，经由准直器和偏振组合棱镜后变为特定光斑大小的准直圆偏振光后入射到原子磁强计敏感表头，由碱金属气室吸收后的激光光强信号由光电探测器转换成电信号，光电探测器输出的电信号由数据采集卡采集后输送到上位机进行处理、显示，上位机和步进电机的配合可以实现各路激光光强大小的实时监测和反馈控制。
[0018]本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0019]1、与每个原子磁强计敏感表头内部内置激光器的方案相比，一台激光器最多可以为16路原子磁强计敏感表头提供光源，多路原子磁强计敏感表头共用光源，不仅易于实现入射波长的统一调节，而且光学系统引入的噪声一致，有利于提高原子磁强计敏感表头间性能的一致性，有效降低多通道阵列式原子磁强计装置的成本。同时，将光学部分与原子磁强计敏感表头分离，有利于减小原子磁强计敏感表头的体积，提高空间分辨率，且各部件可独立更换，集成度高，可以灵活应用于不同结构的SERF原子磁强计。
[0020]2、单个可调节光纤分束单元的分光路数可根据实际应用进行调节，范围为2到8路，一台激光器可以带动两个可调节光纤分束单元，总体分光路数范围为2到16路，适用于应用不同数量原子磁强计敏感表头的场合。
[0021]3、可调节光纤分束单元中配置的步进电机和衰减器结合上位机，可以实现各路光强的实时监测以及闭环控制，能够有效提高原子磁强计的的长期工作稳定性，减小光强波动对探测灵敏度的影响。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例示出的应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统的
结构示意图；
[0023]图2为可调节光纤分束单元的内部结构示意图；
[0024]图3为原子磁强计敏感表头的内部结构示意图；
[0025]图4为组合棱镜的结构示意图；
[0026]图中：1
‑
DBR窄线宽激光器；101
‑
第一光纤耦合头；102
‑
第二光纤耦合头；103
‑
第三光纤耦合头；2
‑
波长计；3
‑
第一保偏光纤；4
‑
可调节光纤分束单元；401
‑
光纤分束器；402
‑
步进电机；403
‑
衰减器；5
‑
第二保偏光纤；6
‑
准直器；7
‑
组合棱镜；701
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，其特征在于，包括激光器(1)、波长计(2)、光纤耦合头(3)、可调节分光单元(4)、原子磁强计；所述的激光器(1)包括若干光纤耦合头，波长计(2)与激光器(1)的其中一个光纤耦合头连接，用于监测激光器发射的激光波长；激光器(1)的其余光纤耦合头通过保偏光纤与可调节分光单元(4)的光输入端连接，用于将激光器(1)发射的偏振激光分为多路波长、功率相同的线偏振光；所述的可调节分光单元(4)的多路光输出端分别连接独立的原子磁强计。2.根据权利要求1所述的一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，其特征在于，所述的激光器(1)为DBR窄线宽激光器。3.根据权利要求1所述的一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，其特征在于，所述的原子磁强计包括准直器(6)、组合棱镜(7)、原子磁强计敏感表头(8)和光电探测器(9)；由可调节分光单元(4)输出的每一路线偏振光经过准直器准直后入射到组合棱镜，转变为圆偏振光后入射至原子磁强计敏感表头，各原子磁强计敏感表头内的碱金属气室(801)吸收后的光信号由光电探测器探测后转变为电信号。4.根据权利要求3所述的一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，其特征在于，所述的准直器(6)的工作距离至少为10cm，且由准直器(6)输出的光斑直径能够匹配原子磁强计敏感表头内碱金属气室的大小。5.根据权利要求3所述的一种应用于医学极弱磁测量的SERF原子磁强计分光系统，其特征在于，所述的光电探测器(9)用无磁胶水粘贴在原子磁强...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，翟跃阳，马建，周斌权，
申请(专利权)人：杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院，
类型：发明
国别省市：