一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪制造技术

本发明专利技术属于光泵磁力仪技术领域，具体提供一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，用以满足地磁环境及零磁环境下的弱磁探测场景。本发明专利技术包括：VCSEL激光器1、起偏器2、碱金属原子气室3、光电探测放大模块4、锁相系统5、激光脉冲调制模块6、圆偏振起偏器7、VCSEL可直调激光器8及数字信号处理模块9，其中，激光脉冲调制模块根据控制编码信号解码输出检测光控制电平和泵浦光控制电平，控制编码信号包括工作模式控制位、调制频率控制位以及调制时长控制位等，控制VCSEL可直调激光器输出方波调制激光或非调制激光，对应地磁环境与零磁环境的工作模式。本发明专利技术实现多功能磁场测量的同时还具有小体积、高集成度以及低成本的优点，适用于各种弱磁检测领域。各种弱磁检测领域。各种弱磁检测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪


[0001]本专利技术属于光泵磁力仪
，具体提供一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，适用于地磁场环境以及零磁环境下弱磁场高精度测量，并且实现高集成度和小型化设计。

技术介绍

[0002]弱磁探测作为磁场测量领域的重要分支之一，已经得到了广泛的研究，且需求还在不断增加。弱磁探测在医学检测、考古勘探、无损探伤以及军用探潜等方向得到广泛应用，并且还在导航以及地震预警等方向展现出其难以替代的作用；弱磁测量设备多种多样，有超导量子干涉仪、磁通门磁力仪、磁阻传感器和光泵磁力仪等；其中，光泵磁力仪具有低成本、小体积以及高灵敏的特点，在近二十年得到了飞速发展。
[0003]光泵磁力仪主要利用极化原子产生的磁矩在外磁场中的拉莫进动实现磁场测量，光泵磁力仪的小型化、高集成度以及高灵敏度是目前主要的研究发展方向，如何实现其小型化芯片化是未来向可穿戴设备以及移动电子设备发展的关键因素。目前，光泵磁力仪研究主要针对高灵敏度以及单一测量为主，比如零磁SERF磁力仪无法工作于复杂磁场环境下，大部分研究尚处于实验室阶段，对于向ASIC电路发展尚处于初级阶段；因此，研究一种低成本、小体积以及多功能的光泵磁力仪，具有很高的实用价值和商用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对地磁环境(复杂磁场)及零磁环境(极弱磁)下的弱磁探测场景，提供一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，用以实现多功能磁场测量，同时还具有小体积、高集成度以及低成本的优点，适用于各种弱磁检测领域，具有广泛的应用前景和较高的商业价值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，包括：VCSEL激光器1、起偏器2、碱金属原子气室3、光电探测放大模块4、锁相系统5、激光脉冲调制模块6、圆偏振起偏器7、VCSEL可直调激光器8及数字信号处理模块9；其特征在于，激光脉冲调制模块6根据控制编码信号解码输出检测光控制电平和泵浦光控制电平，控制编号信号包括工作模式控制位、调制频率控制位及工作时长控制位；检测光控制电平控制VCSEL激光器1输出非调制激光，该激光通过起偏器2变为稳定线偏振光后作为检测光、并通过碱金属原子气室3；泵浦光控制电平控制VCSEL可直调激光器8输出方波调制激光或非调制激光，该激光通过圆偏振起偏器7变为圆偏振光后作为泵浦光、并入射到碱金属原子气室3；光电探测放大模块4检测通过碱金属原子气室3后的检测光，输出检测电信号至锁相系统5；锁相系统5将检测电信号解调为数字信号，并传输至数字信号处理模块9；数字信号处理模块9根据控制编码信号选择对应的数据处理方法对数字信号进行信号处理，输出磁场测量结果。
[0007]进一步的，所述控制编码信号中，工作模式控制位为1表示光泵磁力仪工作在地磁
环境下，解码出泵浦光控制电平控制VCSEL可直调激光器8输出方波调制激光；工作模式控制位为0表示光泵磁力仪工作在零磁环境下，解码出泵浦光控制电平控制VCSEL可直调激光器8输出非调制激光。
[0008]进一步的，所述激光脉冲调制模块6与数字信号处理模块9基于FPGA板实现。
[0009]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0010]本专利技术提供一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，采取FPGA编码、解码、同步控制以及电平输出控制的核心技术手段实现光泵磁力仪的激光信号高精度调制控制输出、快速化功能切换以及数字信号处理，结合小体积VCSEL激光器和高集成度光路电路设计，使得光泵磁力仪在完成弱磁场的实时精确测量前提下还能够实现地磁零磁两种磁环境下不同工作模式的快捷切换，具有体积小、成本低以及应用范围广的优点，为光泵磁力仪向可穿戴设备和移动电子设备发展提供新方向，在医疗、航空测磁、地质勘探以及海洋探测都具有很好的发展前景，具有较高的研究价值和商业价值。
附图说明
[0011]图1为本专利技术中基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪的结构示意图，其中，1为VCSEL激光器，2为起偏器，3为碱金属原子气室，4为光电探测放大模块，5为锁相系统，6为激光脉冲调制模块，7为圆偏振起偏器，8为VCSEL可直调激光器，9为数字信号处理模块(Digital Signal Processing，简称DSP)。
[0012]图2为本专利技术中基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪的测量原理图。
[0013]图3为本专利技术中基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪在地磁环境下测量的原理及时间过程图。
具体实施方式
[0014]为使本专利技术的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0015]本实施例提供一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，其结构如图1所示；主要包括：780nm的VCSEL激光器1、起偏器2、碱金属原子气室3、光电探测放大模块4、锁相系统5、激光脉冲调制模块6、圆偏振起偏器7、795nm的VCSEL可直调激光器8、数字信号处理模块9；其中，激光脉冲调制模块6根据控制编码信号解码输出检测光控制电平和泵浦光控制电平，控制编号信号包括工作模式控制位、调制频率控制位及工作时长控制位，工作模式控制位为1表示光泵磁力仪工作在地磁环境下、工作模式控制位为0表示光泵磁力仪工作在零磁环境下；检测光控制电平控制780nm的VCSEL激光器1输出780nm的非调制激光，该激光通过起偏器2变为稳定线偏振光后作为检测光、并通过碱金属原子气室3；泵浦光控制电平控制795nm的VCSEL可直调激光器8输出方波调制激光(对应光泵磁力仪工作在地磁环境下)或非调制激光(对应光泵磁力仪工作在零磁环境下)，该激光通过圆偏振起偏器7变为圆偏振光后作为泵浦光、并入射到碱金属原子气室3，；光电探测放大模块4检测通过碱金属原子气室3后的检测光，输出检测电信号至锁相系统5；锁相系统5将检测电信号解调为数字信号，并传输至数字信号处理模块9；数字信号处理模块9根据控制编码信号选择对应的数据处理方法对数字信号进行信号处理，输出磁场测量结果。
[0016]本实施例中，所述激光脉冲调制模块6与数字信号处理模块9基于FPGA板实现，所述控制编码信号采用32位编码信息，通过上位机和串口传输相应的编码指令到FPGA板，之后使用指令获取
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指令译码
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指令执行三级流水线对输入的32位编码信息进行解码后得到相应的工作模式、调制频率以及调制时长等关键信息，整个过程工作在100MHz的主频之下，只需要三个时钟周期就可以得到相应调制信息，之后根据相应信息输出对应电平驱动VCSEL可直调激光器输出调制(或非调制)光；多功能光泵磁力仪以可编程逻辑器件和光学磁力仪为核心，能够实现多功能磁场测量，适用于各种弱磁测量领域，并且体积小巧易于携带，为弱磁传感器的微型化与芯片化提供新方向。在地磁环境(复杂磁场)下，使用简单的方波调制方法，在一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA和VCSEL的多功能光泵磁力仪，包括：VCSEL激光器(1)、起偏器(2)、碱金属原子气室(3)、光电探测放大模块(4)、锁相系统(5)、激光脉冲调制模块(6)、圆偏振起偏器(7)、VCSEL可直调激光器(8)及数字信号处理模块(9)；其特征在于，激光脉冲调制模块(6)根据控制编码信号解码输出检测光控制电平和泵浦光控制电平，控制编号信号包括工作模式控制位、调制频率控制位及工作时长控制位；检测光控制电平控制VCSEL激光器(1)输出非调制激光，该激光通过起偏器(2)变为稳定线偏振光后作为检测光、并通过碱金属原子气室(3)；泵浦光控制电平控制VCSEL可直调激光器(8)输出方波调制激光或非调制激光，该激光通过圆偏振起偏器(7)变为圆偏振光后作为泵浦光、并入射到碱金属原子气室(3)；光电探测放大模块(4)检测通...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳慧敏，何孟阳，张佳龙，王子隆，欧中华，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：