本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)檢測(cè)裝置及方法，特別是一種用于生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)調(diào)查、資源勘查、地震預(yù)測(cè)、工業(yè)領(lǐng)域、導(dǎo)航定位、材料分析、海洋工程、量子傳感、腦磁心磁等領(lǐng)域中的高靈敏度磁場(chǎng)檢測(cè)。

背景技術(shù)：

測(cè)量磁場(chǎng)的儀器稱之為磁力儀、磁力計(jì)、高斯計(jì)，在國(guó)際單位制中描述磁場(chǎng)的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉，地球科學(xué)上常用納特（nT）來(lái)作為測(cè)量單位，工程上常用單位則是高斯。磁場(chǎng)檢測(cè)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)調(diào)查、資源勘查、地震預(yù)測(cè)、工業(yè)領(lǐng)域、導(dǎo)航定位、材料分析、海洋工程、量子傳感、腦磁心磁等領(lǐng)域，隨著檢測(cè)要求的提高，對(duì)磁力檢測(cè)性能需求也越發(fā)緊迫。例如在腦磁圖(Magnetoencephalography，簡(jiǎn)稱MEG)檢測(cè)領(lǐng)域，腦磁圖檢測(cè)裝置是一種對(duì)人體完全無(wú)創(chuàng)性、無(wú)放射性的腦功能圖像探測(cè)技術(shù)，在腦科學(xué)、生命醫(yī)療、生物技術(shù)、健康檢測(cè)、疾病診療、人機(jī)交互、智能控制、行為組織等領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用，磁場(chǎng)檢測(cè)得到的腦磁圖可以應(yīng)用到癲癇診斷和致癇灶的手術(shù)前定位、神經(jīng)外科手術(shù)前大腦功能區(qū)定位、缺血性腦血管病預(yù)測(cè)和診斷、精神病和心理障礙疾病的診斷、外傷后大腦功能的評(píng)估和鑒定、司法鑒定和測(cè)謊應(yīng)用、語(yǔ)言、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體感誘發(fā)等的研究，高性能磁場(chǎng)檢測(cè)方法具有重要的研究意義和廣泛應(yīng)用價(jià)值。

在先技術(shù)中，存在磁場(chǎng)檢測(cè)方法，包括已經(jīng)商品化的總部在瑞典的跨國(guó)公司Elekta公司的生產(chǎn)Elekta Neuromag TRIUX型號(hào)腦磁圖儀；總部在美國(guó)的Tristan公司生產(chǎn)的MagView型號(hào)腦磁圖儀。在先技術(shù)參見(jiàn)美國(guó)專利，專利名稱為high-reslution magenetoencephalography system, components and methods,專利號(hào)為US7197352B2，專利授權(quán)時(shí)間為2007年3月27日。在先技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是存在一些本質(zhì)不足：1）檢測(cè)磁場(chǎng)裝置所基于的原理為超導(dǎo)量子干涉器件檢測(cè)磁場(chǎng)，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象為檢測(cè)原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；2）檢測(cè)裝置檢測(cè)靈敏度受限于檢測(cè)原理和系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度，針對(duì)腦磁圖檢測(cè)的靈活性差；3）裝置體積大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化，構(gòu)建成本高，檢測(cè)磁場(chǎng)空間分辨率有限，影響使用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)裝置及方法，該裝置及方法具有方法簡(jiǎn)單、無(wú)需低溫制冷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、檢測(cè)信息量大、動(dòng)態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實(shí)現(xiàn)微型化、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)裝置，包括原子氣體室、偏振非均勻分布矢量光束光源、光束偏轉(zhuǎn)掃描器、探測(cè)光源、光電探測(cè)器、處理分析單元，所述原子氣體室的底層和頂層設(shè)置反射膜，頂層上方設(shè)有光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接處理分析單元，所述原子氣體室一側(cè)外設(shè)有偏振非均勻分布矢量光束光源、光束偏轉(zhuǎn)掃描器，探測(cè)光源。

所述原子氣體室采用長(zhǎng)方體透明結(jié)構(gòu)，在原子氣體室的底層和頂層設(shè)置的反射膜對(duì)偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束反射率為97%；原子氣體室內(nèi)測(cè)的底層設(shè)置的反射膜對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束的反射率為97%，原子氣體室內(nèi)測(cè)的頂層設(shè)置的反射膜對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束的反射率值為80%-95%之間；在原子氣體室內(nèi)測(cè)的側(cè)壁設(shè)置有增透膜。

所述偏振非均勻分布矢量光源出射光路上設(shè)置有光束偏轉(zhuǎn)掃描器，光束偏轉(zhuǎn)掃描器為光譜分光鏡振鏡，對(duì)偏振非均勻分布矢量光源出射光束的反射率為99%，對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束的透射率為99%。

所述的偏振非均勻分布矢量光源為徑向偏振圓偏振復(fù)合激光光源或方位角偏振圓偏振復(fù)合激光光源。所述的光電探測(cè)器為二維光電探測(cè)器，二維光電探測(cè)器為電荷耦合器件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電傳感器。所述的原子氣體室為堿金屬原子氣體室。

一種采用高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其步驟為：1）偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束經(jīng)過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器(3)光束傳播方向發(fā)生改變，從原子氣體室側(cè)面入射實(shí)現(xiàn)多次反射動(dòng)態(tài)原子蒸氣泵浦；2）探測(cè)光源出射探測(cè)光束從原子氣體室側(cè)面入射，在原子氣體室的底層和頂層發(fā)生多次反射，有部分探測(cè)光透射出頂層發(fā)生透射形成探測(cè)光束陣列；3）原子氣體室的頂層透射的探測(cè)光束陣列經(jīng)過(guò)偏振分光鏡陣列的分光后，被光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器將陣列信號(hào)傳給信息處理分析單元進(jìn)行分析；4）光束偏轉(zhuǎn)掃描器實(shí)現(xiàn)偏振非均勻分布矢量光束泵浦路線掃描，重復(fù)步驟3），信息處理分析單元對(duì)數(shù)據(jù)分析空間差異性的光電分布信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)。

所述步驟2)的具體方法為：探測(cè)光源出射探測(cè)光束從原子氣體室側(cè)面入射，在入射在原子氣體室側(cè)面之前，光路經(jīng)過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器的光譜分光鏡振鏡的光譜分光鏡光學(xué)作用面上；在光譜分光鏡光學(xué)作用面上，偏振非均勻分布矢量光束和探測(cè)光束的入射點(diǎn)重疊；探測(cè)光束在原子氣體室的底層和頂層發(fā)生多次反射，每次經(jīng)過(guò)原子氣體室的頂層反射時(shí)，有部分探測(cè)光發(fā)生透射。

所述步驟3)的具體方法為：原子氣體室的頂層透射的探測(cè)光束陣列經(jīng)過(guò)偏振分光鏡陣列的分光后，偏振分光鏡陣列為等間距設(shè)立偏振分光鏡，間距與室探測(cè)光束在原子氣體頂層發(fā)生透射的透射點(diǎn)間距一致，每個(gè)透射點(diǎn)透射光束被相對(duì)應(yīng)的一片偏振分光鏡分光，在偏振分光鏡陣列的每個(gè)偏振分光鏡兩側(cè)形成光束；偏振分光后的所有光束被光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器將陣列信號(hào)傳給信息處理分析單元進(jìn)行分析。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1）在先技術(shù)檢測(cè)磁場(chǎng)裝置所基于的原理為超導(dǎo)量子干涉器件檢測(cè)磁場(chǎng)，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象為檢測(cè)原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本發(fā)明基于原子磁力檢測(cè)原理，構(gòu)建原子氣體室，利用光與原子蒸汽相互作用，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)檢測(cè)，不存在超導(dǎo)器件，具有方法簡(jiǎn)單和無(wú)需低溫制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)；

2）在先技術(shù)檢測(cè)裝置檢測(cè)靈敏度受限于檢測(cè)原理和系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度，針對(duì)腦磁圖檢測(cè)的靈活性差。本發(fā)明結(jié)合偏振非均勻分布矢量光束泵浦和腔內(nèi)多次回返技術(shù)，以及泵浦掃描方法，在原子氣體室的底層和頂層設(shè)置有反射膜；偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束經(jīng)過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器光束傳播方向發(fā)生改變，從原子氣體室側(cè)面入射實(shí)現(xiàn)多次反射動(dòng)態(tài)原子蒸氣泵浦；探測(cè)光束陣列經(jīng)過(guò)偏振分光鏡陣列的分光后，光電探測(cè)器將陣列信號(hào)傳給信息處理分析單元，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、檢測(cè)信息量大、動(dòng)態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好等特點(diǎn)；功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)

3）在先技術(shù)裝置體積大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化，構(gòu)建成本高，檢測(cè)磁場(chǎng)空間分辨率有限，影響使用范圍。本發(fā)明采用采用全光原子磁力檢測(cè)激勵(lì)，并且利用光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光束調(diào)控，可以充分利用微納光學(xué)與光電加工工藝，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)微型化，并且構(gòu)建成本低、模塊化程度高、靈活性強(qiáng)、功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，一種高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)裝置，包括原子氣體室1、偏振非均勻分布矢量光束光源2、光束偏轉(zhuǎn)掃描器3、探測(cè)光源4、光電探測(cè)器6、處理分析單元7。原子氣體室1的底層102和頂層101設(shè)置反射膜，頂層101上方設(shè)有光電探測(cè)器6，光電探測(cè)器6連接處理分析單元7，原子氣體室1一側(cè)外設(shè)有偏振非均勻分布矢量光束光源2、光束偏轉(zhuǎn)掃描器3，探測(cè)光源4。

偏振非均勻分布矢量光源2為徑向偏振圓偏振復(fù)合激光光源或方位角偏振圓偏振復(fù)合激光光源。光電探測(cè)器6為二維光電探測(cè)器，二維光電探測(cè)器為電荷耦合器件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電傳感器。原子氣體室1為堿金屬原子氣體室。

本發(fā)明的高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)方法，是基于原子磁力檢測(cè)原理，構(gòu)建具有多次反射行為的原子氣體室，發(fā)揮偏振非均勻分布矢量光束的偏振態(tài)空間非均勻特性，采用偏振非均勻分布矢量光束進(jìn)行動(dòng)態(tài)原子蒸汽泵浦進(jìn)一步拓展信息維度，增加空間相關(guān)的信息量，利用光電探測(cè)器得到精細(xì)空間分布信息，通過(guò)分析處理實(shí)現(xiàn)高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)方法。

本實(shí)施例的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

步驟1)原子氣體室1采用長(zhǎng)方體透明結(jié)構(gòu)，在原子氣體室1內(nèi)測(cè)的底層102和頂層101設(shè)置有反射膜，底層102和頂層103設(shè)置的反射膜對(duì)偏振非均勻分布矢量光束光源2出射的偏振非均勻分布矢量光束具有高反射率，反射率為97%；原子氣體室1內(nèi)測(cè)的底層102設(shè)置的反射膜對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束具有高反射率，反射率為97%，原子氣體室1內(nèi)測(cè)的頂層101設(shè)置的反射膜對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束的反射率值為89%；在原子氣體室1內(nèi)測(cè)的側(cè)壁設(shè)置有增透膜，增透膜針對(duì)偏振非均勻分布矢量光束光源2和探測(cè)光源4兩光源出射光均起作用；原子氣體室1采用堿金屬中的銣原子蒸汽；

步驟2 )采用偏振非均勻分布矢量光束作為泵浦光，偏振非均勻分布矢量光源2出射光路上設(shè)置有光束偏轉(zhuǎn)掃描器3，光束偏轉(zhuǎn)掃描器3為光譜分光鏡振鏡，對(duì)偏振非均勻分布矢量光源2出射光束高反射，反射率為99%，對(duì)探測(cè)光源出射探測(cè)光束高透過(guò)率，透射率為99%；偏振非均勻分布矢量光束經(jīng)過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器3光束傳播方向發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)方向掃描，光束偏轉(zhuǎn)掃描器3出射光束從原子氣體室1側(cè)面入射，在原子氣體室1的底層102和頂層101發(fā)生多次反射，對(duì)原子氣體室內(nèi)1的原子蒸氣進(jìn)行泵浦；偏振非均勻分布矢量光源2采用徑向偏振圓偏振復(fù)合激光光源；

步驟3 )探測(cè)光源4出射探測(cè)光束從原子氣體室1側(cè)面入射，在入射在原子氣體室1側(cè)面之前，光路經(jīng)過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器2的光譜分光鏡振鏡的光譜分光鏡光學(xué)作用面上；在光譜分光鏡光學(xué)作用面上，偏振非均勻分布矢量光束和探測(cè)光束的入射點(diǎn)重疊；探測(cè)光束在原子氣體室1的底層102和頂層101發(fā)生多次反射，每次經(jīng)過(guò)原子氣體室1的頂層101反射時(shí)，有部分探測(cè)光發(fā)生透射；

步驟4 )原子氣體室1的頂層101透射的探測(cè)光束陣列經(jīng)過(guò)偏振分光鏡陣列5的分光后，偏振分光鏡陣列5為等間距設(shè)立偏振分光鏡，間距與室探測(cè)光束在原子氣體頂層發(fā)生透射的透射點(diǎn)間距一致，每個(gè)透射點(diǎn)透射光束被相對(duì)應(yīng)的一片偏振分光鏡分光，在偏振分光鏡陣列5的每個(gè)偏振分光鏡兩側(cè)形成光束；偏振分光后的所有光束被光電探測(cè)器6接收，光電探測(cè)器6將陣列信號(hào)傳給信息處理分析單元7進(jìn)行分析；信息處理分析單元7采用計(jì)算機(jī)，光電探測(cè)器6采用電荷耦合器件。

步驟5)通過(guò)光束偏轉(zhuǎn)掃描器實(shí)現(xiàn)偏振非均勻分布矢量光束泵浦路線掃描，重復(fù)進(jìn)行步驟4),光電探測(cè)器可以探測(cè)到空間差異性的光電分布信息，信息處理分析單元對(duì)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)。

本實(shí)施例對(duì)應(yīng)用在腦磁場(chǎng)檢測(cè)中，采用Rd堿金屬原子蒸汽，根據(jù)不同算法實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率腦磁圖，在本實(shí)施例中一次檢測(cè)中，得到了0.2mm空間分辨率，靈敏度達(dá)到5fT的腦磁圖，達(dá)到了腦磁場(chǎng)安全檢測(cè)要求，具有方法簡(jiǎn)單、無(wú)需低溫制冷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、檢測(cè)信息量大、動(dòng)態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實(shí)現(xiàn)微型化、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明中原子氣體室制備、探測(cè)光束控制與光場(chǎng)分析、光電探測(cè)器使用、多維信息分析處理等均為成熟技術(shù)，本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于基于原子磁力檢測(cè)原理，構(gòu)建具有多次反射行為的原子氣體室，發(fā)揮偏振非均勻分布矢量光束的偏振態(tài)空間非均勻特性，采用偏振非均勻分布矢量光束進(jìn)行動(dòng)態(tài)原子蒸汽泵浦進(jìn)一步拓展信息維度，增加空間相關(guān)的信息量，利用光電探測(cè)器得到精細(xì)空間分布信息，通過(guò)分析處理實(shí)現(xiàn)高空間分辨率磁場(chǎng)檢測(cè)，給出一種方法簡(jiǎn)單、無(wú)需低溫制冷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、檢測(cè)信息量大、動(dòng)態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實(shí)現(xiàn)微型化、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣的磁場(chǎng)檢測(cè)方法，本質(zhì)上避免在先技術(shù)的不足。