用于磁力儀的原子磁傳感器及消除磁力儀探測盲區(qū)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光泵磁力儀技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于磁力儀的原子磁傳感器及消除磁力儀探測盲區(qū)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁力儀是磁力測量儀器的統(tǒng)稱。高靈敏度磁力測量技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、地球物理、空間探索以及軍事與國防等領(lǐng)域都有著廣泛且重要的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外磁力測量研宄水平差異顯著。國外先進水平的磁力儀在靈敏度指標等方面已遠超過我國，因此，自主研制高靈敏度磁力儀，具有戰(zhàn)略意義。光泵原子磁力儀是目前比較成熟的高靈敏度磁力儀之一，其中激光光泵原子磁力儀由于單色性好、選擇特性優(yōu)良等優(yōu)勢，能夠極大程度地提升性能指標，因而成為國內(nèi)外研宄熱點。
[0003]傳統(tǒng)的激光光泵原子磁力儀基于原子的磁光雙共振原理，通常由激光光源、原子磁傳感器、磁共振信號檢測電路三部分構(gòu)成。激光光源產(chǎn)生特定波長(頻率)、強度與頻譜寬度的激光光束，激光中心頻率為使得原子磁傳感器內(nèi)原子產(chǎn)生光泵浦作用的光頻率值。原子磁傳感器包括若干偏振器件、原子氣室、亥姆霍茲線圈以及光電探測器:偏振器件通常為波片與偏振分束棱鏡等光學(xué)器件的組合，使得激光光源產(chǎn)生的激光光束具有特定的偏振方向；原子氣室是充有一定壓強的原子氣體的波璃泡，激光光束入射至原子氣室，與氣室內(nèi)原子相互作用產(chǎn)生光泵浦后透射出氣室；同時纏繞于原子氣室周圍的亥姆赫茲線圈，產(chǎn)生具有一定頻率且方向垂直于激光光束傳播方向的交變磁場，當(dāng)交變磁場的頻率恰好等于原子塞曼磁子能級躍迀頻率時，產(chǎn)生磁共振；光電探測器置于原子氣室后側(cè)，實時探測透過原子氣室的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。磁共振信號檢測電路對光電探測器探測得到的電信號進行處理，通過濾波、放大、鎖相等，反饋控制亥姆霍茲線圈，跟蹤鎖定磁共振產(chǎn)生時對應(yīng)的頻率，同時根據(jù)磁場與頻率的換算關(guān)系，推算出磁場的大小，實現(xiàn)對磁場的測量。
[0004]傳統(tǒng)的激光光泵原子磁力儀雖然能夠?qū)崿F(xiàn)磁場測量，但由于光的方向與探測磁場方向的夾角變化，影響探測信號的大小，在特定方向，無法探測光信號，出現(xiàn)盲區(qū)(deadzone),這一情況導(dǎo)致傳統(tǒng)的激光光泵原子磁力儀無法適應(yīng)移動平臺對磁場的實時探測。對于磁力儀探測盲區(qū)問題，是目前移動平臺磁探測的研宄熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題:本發(fā)明提出了一種用于激光光泵磁力儀的原子磁傳感器，能夠消除激光光泵原子磁力儀在磁探測中的盲區(qū)問題，同時實現(xiàn)高靈敏度的磁場測量。
[0006]本發(fā)明的目的之一在于提供一種用于磁力儀的原子磁傳感器，包括在一激光光路上依次布置的:
[0007]兩個相互空間垂直的往返光學(xué)回路及一第三方向的原子吸收氣室，所述光學(xué)回路分別具有一光軸，并各包括一原子吸收氣室，用以將垂直其光軸方向傳播的一束激光轉(zhuǎn)換為沿其光軸方向傳播的圓偏振光，并使所述圓偏振光對原子吸收氣室內(nèi)原子進行光泵浦后，從新沿垂直其光軸方向傳播；
[0008]一光電探測器，一光信號通過所述三個相互空間垂直的往返光學(xué)回路及第三方向的原子氣室匯聚至所述光電探測器，并轉(zhuǎn)化為電信號。
[0009]進一步地，還包括一激光發(fā)生裝置，用以發(fā)出一束激光。
[0010]進一步地，所述圓偏振光對原子吸收氣室內(nèi)原子進行光泵浦后，經(jīng)過一偏振轉(zhuǎn)換光路從新沿垂直光軸方向傳播，偏振轉(zhuǎn)換光路包括一個四分之一玻片及一個反射鏡，兩次經(jīng)過四分之一玻片的線偏振光，偏振方向相互垂直。
[0011]進一步地，所述光泵原子磁傳感器還包括在激光光路上依次布置的一無偏振影響的光強調(diào)節(jié)模塊及一光電探測器。
[0012]進一步地，所述無偏振影響的光強調(diào)節(jié)模塊包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一起偏器、一二分之一波片、一偏振分光棱鏡。
[0013]進一步地，所述往返光學(xué)回路還各包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一偏振分光棱鏡、一對四分之一波片、一對亥姆霍茲線圈、一對平面反射鏡。
[0014]本發(fā)明的另一目的在于提供一種消除磁力儀探測盲區(qū)的方法，包括以下步驟:
[0015]I)從一激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光經(jīng)過往返光學(xué)回路，形成X、Y、Z三個相互垂直方向的光泵浦，使空間磁場至少在一個方向上被探測；
[0016]2)往返光學(xué)回路將一束激光分成三個方向，探測光攜帶三個方向光信號匯聚于一個光電探測器上。
[0017]進一步地，步驟I)中所述激光經(jīng)過一往返光學(xué)回路，將沿Z軸方向的光轉(zhuǎn)換為沿X軸方向傳播的光，通過泵浦X軸方向的吸收氣室的原子后，往返傳播的光從新回到Z軸方向，經(jīng)又一往返光學(xué)回路又將沿Z軸的光轉(zhuǎn)換為沿Y軸方向傳播的光；形成了空間三個方向的光泵浦。
[0018]進一步地，步驟2)中所述往返光學(xué)回路所述往返光學(xué)回路包括一二分之一波片、一偏振分光棱鏡、一對四分之一波片、一原子吸收氣室、一對亥姆霍茲線圈、一對平面反射鏡。
[0019]所述二分之一玻片用以調(diào)節(jié)入射線偏振光的偏振方向，使激光能夠通過偏振分光棱鏡反射，進入原子吸收氣室；所述四分之一玻片位于原子吸收氣室與偏振分光棱鏡之間，用以形成圓偏振光，實現(xiàn)對原子氣室內(nèi)原子進行光泵浦；所述平面反射鏡位于原子吸收氣室之后，用以對投射光進行反射，使反射光依次經(jīng)過原子吸收氣室及四分之一玻片，此時激光轉(zhuǎn)換為線偏振且偏振方向垂直于入射時的線偏振光方向，在投射過偏振分光棱鏡，經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換光路返回，形成沿最初入射反向的出射光；偏振轉(zhuǎn)換光路包括一個四分之一玻片及一個反射鏡，兩次經(jīng)過四分之一玻片的線偏振光，偏振方向相互垂直。
[0020]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]1.三維多光系磁傳感器由于存在相互垂直的光傳播方向，因此無論待測磁場的方向如何，在任意一個光傳播方向都有投影(光與磁場方向相同，信號最大，垂直則沒有信號)，因此，三維磁傳感器的結(jié)構(gòu)消除了探測盲區(qū)問題，提升激光光泵原子磁力儀實際應(yīng)用的可靠性。
[0022]2.由于本發(fā)明中出現(xiàn)來回反射的激光光束，產(chǎn)生了飽和吸收信號，探測器二的探測信號不僅可以提取磁共振信號，同時也能夠提取飽和吸收信號作為激光光源頻率穩(wěn)定的信號使用。
[0023]3、由于本發(fā)明增加了第二半波片與第一偏振分束棱鏡，線偏振光光束經(jīng)過第二半波片與第一偏振分束棱鏡后，產(chǎn)生透射光與反射光，反射光可以用于功率穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的主要功能模塊示意圖
[0025]圖2為本發(fā)明的原子磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]附圖標記說明:1-第一半波片；2_第一極化偏振片；3_第二半波片；4_第一偏振分束棱鏡；5_第一光電探測器；6_第三半波片；7_第一反射鏡；8_第一四分之一波片；9-第二偏振分束棱鏡；10-第二四分之一波片；11-第一亥姆霍茲線圈；12-第一原子氣室；13-第二反射鏡；14_第三反射鏡；15_第二亥姆霍茲線圈；16_第二原子氣室；17_第三四分之一波片；18_第四半波片；19_第三偏振分束棱鏡；20-第二光電探測器；21-第四四分之一波片；22_第三亥姆霍茲線圈；23_第三原子氣室；24_第四反射鏡。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述，有必要在此指出的是，以下【具體實施方式】只用于對本發(fā)明進行進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0028]如圖1所示為本發(fā)明的主要功能模塊示意圖，其中，包括無偏振影響的光強調(diào)節(jié)模塊，一部分光被分出，可用于檢測光功率的變化，以用于穩(wěn)定激光器的功率，包括X方向往返光學(xué)回路，形成X軸向的磁探測，包括Y方向的往返光學(xué)回路，形成Y軸方向的磁探測，最后激光通過Z軸方向的原子氣室，形成Z方向的磁探測。X、Y、Z方向的光路可以調(diào)換，探測器至于光通過的最后一個原子氣室后，用于對光信號的轉(zhuǎn)換。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明用于激光光泵磁力儀的原子磁傳感器包括:第一半波片1，第二半波片3，第三半波片6，第四半波片18，第一極化偏振片2，第一偏振分束棱鏡4，第二偏振分束棱鏡9，第三偏振分束棱鏡19，第一四分之一波片8，第二四分之一波片10，第三四分之一波片17、第四四分之一波片21，第一反射鏡7、第二反射鏡13、第三反射鏡14、第四反射鏡24、第一原子氣室12，第二原子氣室16，第三原子氣室23，第一亥姆霍茲線圈11，第二亥姆霍茲線圈15，第三亥姆霍茲線圈22，第一光電探測器5，第二光電探測器20。，所有器件光學(xué)平面垂直于入射激光方向擺放，利用特殊設(shè)計的安裝支架固定在一個由無磁材料加工的三維套筒內(nèi)，確保各器件固定牢靠。
[0030]激光光源發(fā)射激光光束，激光光束經(jīng)過第一半波片I與第一極化偏振片2后，透射激光變?yōu)榫€偏振光，線偏振光光束經(jīng)過第二半波片3與第一偏振分束棱鏡4后，產(chǎn)生透射光與反射光，且透射光與反射光的偏振方向互相垂直，其中，反射光輸出至外部設(shè)備，用于光功率監(jiān)測，以上為無偏振影響的光強調(diào)節(jié)模塊，透射光經(jīng)過第三半波片6與第二偏振分束棱9后產(chǎn)生透射光與反射光，且透射光與反射光的偏振方向互相垂直。這里調(diào)節(jié)6只產(chǎn)生反射光，反透射光依次通過第二四分之一波片10后轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，圓偏振光垂直入射至第一原子氣室12，與氣室內(nèi)原子相互作用產(chǎn)生光泵浦后透射出氣室；同時纏繞于第一原子氣室12周圍的第一亥姆赫茲