一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置及测量方法。


背景技术：

2.表征磁场的参数主要有两个，分别为磁场强度和磁场方向。磁力仪是实现磁场测量的装置统称。按照测量数据类型，可以将磁力仪分为标量磁力仪(或总场磁力仪)和矢量磁力仪。标量磁力仪仅能得到待测磁场的强度信息，矢量磁力仪可以得到待测磁场的强度和方位信息。以目标探测应用为例，标量磁力仪可以得到待测目标距离测量点的距离，而矢量磁力仪除此之外还可以得到待测目标的方位信息。因此，矢量磁力仪能够更多维度的信息，具有更加广阔的应用前景。
3.原子磁力仪可以实现高灵敏的磁场探测，同时具有小型化、低功耗的突出优势，是未来集成化高灵敏磁探测技术的主要发展方向。大部分原子磁力仪基于圆偏振激光泵浦产生的原子自旋矢量极化，本质上是标量磁力仪。通过补偿、调制等方法，利用原子磁力仪也能够获得磁场的指向、空间分布等方位信息。这些间接测量方法大多利用三维磁场线圈建立空间方向基准，通过将三个方向磁场幅度分别补偿为零，反推出待测磁场的空间指向。因此，对磁场线圈空间正交、轴间隔绝以及磁场电流补偿精度提出了很高的要求，无法发挥原子磁力仪的高灵敏度优势。
4.线偏振激光可以使碱金属原子电子自旋在光偏振方向产生对称分布的张量极化。利用原子的张量极化可以直接测量磁场矢量信息，但当待测磁场与线偏振光偏振方向夹角为特定值时，存在测量盲区，且对不同指向的磁场响应灵敏度差异较大。
5.测量盲区的存在已经成为限制矢量原子磁力仪进一步发展应用的主要掣肘。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置及测量方法，在线偏振激光激发碱金属原子自旋张量极化的基础上，通过对激光偏振调制，周期性调整张量极化的分布，消除磁场测量盲区。具体技术方案如下：
7.一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置，包括光路模块、原子气室、温度控制模块、磁场控制模块和信号分析控制模块；
8.在所述原子气室内充有碱金属原子作为工作物质；
9.所述光路模块，用于实现对原子气室内碱金属原子的泵浦和探测，其包括激光控制器、激光器、第一二分之一波片、偏振分光镜、第一光电探测器、第二二分之一波片、液晶偏振旋转器、液晶偏振旋转器驱动器、第一反射镜、扩束系统、聚焦系统、第二反射镜和第二光电探测器；所述激光器用于向原子气室发射线偏振激光；所述线偏振激光的激光波段位于原子气室内所选碱金属原子的d2跃迁频段内；所述激光控制器用于实现对线偏振激光的激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振分光镜设置在线偏振激光的光路上，用于将线偏
振激光分为参考光束和主光束；所述第一光电探测器设置在参考光束的光路上，用于向激光控制器反馈激光控制信号；所述第一二分之一波片设置在激光器和偏振分光镜之间，用于调整参考光束和主光束的功率；所述第二二分之一波片、液晶偏振旋转器、第一反射镜、扩束系统、聚焦系统、第二反射镜和第二光电探测器顺次设置在主光束的光路上，其中，所述扩束系统和聚焦系统分别设置在原子气室的两侧；所述液晶偏振旋转器驱动器设置在信号分析控制模块和液晶偏振旋转器之间；所述第二二分之一波片用于调整进入液晶偏振旋转器前主光束激光偏振主轴的方向；所述液晶偏振旋转器在液晶偏振旋转器驱动器的作用下用于实现主光束激光偏振方向的动态调整；所述扩束系统用于扩大主光束激光的光斑尺寸以覆盖原子气室；所述聚焦系统用于会聚透过原子气室的主光束激光；所述第一反射镜和第二反射镜的反射方向均可单独调节，二者用于调整主光束激光的行进方向；所述第二光电探测器用于检测透过原子气室的主光束激光的光功率变化；
10.所述温度控制模块包括测温电阻、热烘箱、射频功放驱动器和温控处理器；所述测温电阻与温控处理器连接；所述温控处理器和热烘箱分别与射频功放驱动器连接；所述测温电阻用于测量原子气室周围的温度，所述热烘箱在射频功放驱动器的驱动下实现对原子气室的加热，所述温控处理器根据测温电阻返回的测量温度实时调整射频功放驱动器输出电流的大小；
11.所述磁场控制模块包括围绕原子气室设置的磁场线圈以及用于控制磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源，通过所述磁场线圈产生交变激励磁场且同时屏蔽碱金属原子的外部环境磁场；所述交变激励磁场的交变频率等于碱金属原子自旋在探测磁场作用下的拉莫尔进动频率；
12.所述信号分析控制模块包括数模/模数转换电路和数据处理终端，所述数据处理终端与数模/模数转换电路连接；所述数模/模数转换电路与第二光电探测器、液晶偏振旋转器驱动器和磁场驱动源分别连接，通过数据处理终端分析来自第二光电探测器的信号解算出碱金属原子自旋感受到的磁场强度数据并向液晶偏振旋转器驱动器发出液晶偏振信号、向磁场驱动源发出磁场控制信号。
13.优选的，所述扩束系统和聚焦系统的放大倍数均可单独调节。
14.优选的，所述测温电阻与温控处理器通过数据传输线连接；所述温控处理器和热烘箱分别通过数据传输线与射频功放驱动器连接。
15.优选的，所述数模/模数转换电路包括模数转换电路和数模转换电路，所述模数转换电路的输入端通过数据传输线与与第二光电探测器的输出端连接；所述数模转换电路的输出端通过数据传输线与液晶偏振旋转器驱动器和磁场驱动源分别连接；所述模数转换电路的输出端和数模转换电路的输入端分别通过数据传输线与数据处理终端连接。
16.优选的，所述原子气室为密闭的透光玻璃气室；所述磁场线圈为三维亥姆霍兹磁场线圈；所述温控处理器为单片机。
17.一种所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置的测量方法，包括以下步骤：
18.步骤s1、按照激光经过顺序以及部件间连接关系将所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置组装好；
19.步骤s2、所述激光器在激光控制器的驱动下发射线偏振激光；线偏振激光经过偏
振分光镜后分为参考光束和主光束；第一光电探测器设置在参考光束的光路上，用于向激光控制器反馈激光控制信号，使得激光控制器实现对激光频率和功率的选择及稳定；第二二分之一波片用于调整进入液晶偏振旋转器前主光束激光偏振主轴的方向，使激光偏振主轴的方向落在液晶偏振旋转器控制范围的中心区域；主光束激光经过扩束系统后覆盖原子气室；透射激光经过聚焦系统的光斑尺寸小于第二光电探测器光敏面尺寸，经过第二反射镜后被第二光电探测器接收，光信号转换为电信号，通过数模/模数转换电路传递给数据处理终端；
20.步骤s3、所述数据处理终端向磁场驱动源发出磁场控制信号；所述磁场驱动源根据磁场控制信号产生原子气室所需的交变激励磁场；
21.步骤s4、所述温控处理器根据测温电阻返回的测量温度实时调整射频功放驱动器输出电流大小，使原子气室的温度稳定在预设温度
±
1℃范围内；
22.步骤s5、所述数据处理终端向液晶偏振旋转器驱动器发出液晶偏振信号，通过调控液晶偏振旋转器驱动器输出控制电压使经过液晶偏振旋转器的主光束激光偏振方向发生旋转，用于实现主光束激光偏振方向的动态调整；
23.步骤s6、所述数据处理终端根据第二光电探测器输入的电信号和对液晶偏振旋转器驱动器发出的液晶偏振信号，解算得到待测磁场强度和方位信息。
24.优选的，在步骤s4中的预设温度为40-100℃。
25.优选的，在步骤s5中的液晶偏振信号为方波信号，用于周期性调整液晶偏振旋转器；当方波处于低电平时动态调整，透射激光偏振方向不发生偏转；当方波处于高电平时，透射激光偏振方向产生45
°
旋转。
26.优选的，所述低电平为0v；所述高电平为2.0-2.5v。
27.应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：
28.(1)本发明中所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置，通过数据处理终端向液晶偏振旋转器驱动器发出液晶偏振信号，实现对液晶偏振旋转器动态调整线偏振激光的偏振方向，从而周期性改变原子气室中原子自旋的张量极化分布，有效消除张量极化单一分布对应的矢量磁场测量盲区。
29.(2)本发明以单束线偏振光偏振调制的方式实现了多束线偏振光与原子气室的等价相互作用，结构简单、装置紧凑，在不附加表头测量单元数量的前提下实现了无盲区磁场测量有效，节约了测量成本。
30.(3)本发明中第一反射镜和第二反射镜的反射方向均可单独调节，扩束系统和聚焦系统的放大倍数可调，使得本发明构造的无无盲区磁场测量装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室，可以根据实际应用需求改变光束行进方向和光斑尺寸。
31.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
32.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1是本发明实施例1中一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置的结构示
意图；
34.在图1中：
35.101、激光控制器，102、激光器，103、第一二分之一波片，104、偏振分光镜，105、第一光电探测器，106、第二二分之一波片，107、液晶偏振旋转器，108、液晶偏振旋转器驱动器，109、第一反射镜，110、扩束系统，111、聚焦系统，112、第二反射镜，113、第二光电探测器；201、原子气室；301、测温电阻，302、热烘箱，303、射频功放驱动器，304、温控处理器；401、磁场驱动源，402、磁场线圈；501、数模/模数转换电路，502、数据处理终端。
36.图2是本发明实施例1中一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置的理论分析模型；
37.在图2中：
38.x、y、z表示正交坐标系x、y、z轴，b0表示待测磁场的幅值，b
rf
表示激励磁场的幅值，k表示激光行进方向，ε表示激光偏振方向，α表示激光偏振方向与待测磁场方向之间的夹角，ψ表示激励磁场与xz平面之间的夹角。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1：
41.参见图1，一种基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置，光路模块、原子气室201、温度控制模块、磁场控制模块和信号分析控制模块；
42.在所述原子气室201(为正立方体气室)内充有碱金属原子(具体为铯)作为工作物质；在所述原子气室201内部还充有缓冲气体(具体为氮气)、淬火气体(具体为氦气)。
43.所述光路模块，用于实现对原子气室201内碱金属原子的泵浦和探测，其包括激光控制器101、激光器102、第一二分之一波片103、偏振分光镜104、第一光电探测器105、第二二分之一波片106、液晶偏振旋转器107、液晶偏振旋转器驱动器108、第一反射镜109、扩束系统110、聚焦系统111、第二反射镜112和第二光电探测器113；所述激光器102用于向原子气室201发射线偏振激光；所述线偏振激光的激光波段位于原子气室201内所选碱金属原子的d2跃迁频段内；所述激光控制器101用于实现对线偏振激光的激光频率和功率的选择及稳定；所述偏振分光镜104设置在线偏振激光的光路上，用于将线偏振激光分为参考光束和主光束；所述第一光电探测器105设置在参考光束的光路上，用于向激光控制器101反馈激光控制信号；所述第一二分之一波片103设置在激光器102和偏振分光镜104之间，用于调整参考光束和主光束的功率；所述第二二分之一波片106、液晶偏振旋转器107、第一反射镜109、扩束系统110、聚焦系统111、第二反射镜112和第二光电探测器113顺次设置在主光束的光路上，其中，所述扩束系统110和聚焦系统111分别设置在原子气室201的两侧；所述液晶偏振旋转器驱动器108设置在信号分析控制模块和液晶偏振旋转器107之间；所述第二二分之一波片106用于调整进入液晶偏振旋转器107前主光束激光偏振主轴的方向；所述液晶偏振旋转器107在液晶偏振旋转器驱动器108的作用下用于实现主光束激光偏振方向的动
态调整；所述扩束系统110用于扩大主光束激光的光斑尺寸以覆盖原子气室201；所述聚焦系统111用于会聚透过原子气室201的主光束激光；所述第一反射镜109和第二反射镜112的反射方向均可单独调节，二者用于调整主光束激光的行进方向；所述第二光电探测器113用于检测透过原子气室201的主光束激光的光功率变化；
44.所述温度控制模块包括测温电阻301、热烘箱302、射频功放驱动器303和温控处理器304；所述测温电阻301与温控处理器304连接；所述温控处理器304和热烘箱302分别与射频功放驱动器303连接；所述测温电阻301(当原子气室201的边长尺寸小于等于10mm时，测温电阻301靠近原子气室201设置，不与原子气室201的外壁接触，且二者间间距小于等于5mm；当原子气室201的边长尺寸高于10mm时，测温电阻301设置在201的外壁上)用于测量原子气室201周围的温度，所述热烘箱302在射频功放驱动器303的驱动下实现对原子气室201的加热，所述温控处理器304根据测温电阻301返回的测量温度实时调整射频功放驱动器303输出电流的大小；
45.所述磁场控制模块包括围绕原子气室设置的磁场线圈402以及用于控制磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源401，通过所述磁场线圈402产生交变激励磁场且同时屏蔽碱金属原子的外部环境磁场；所述交变激励磁场为产生碱金属原子磁共振所需的交变激励磁场，其交变频率等于碱金属原子自旋在探测磁场作用下的拉莫尔进动频率；
46.所述信号分析控制模块包括数模/模数转换电路501和数据处理终端502，所述数据处理终端502与数模/模数转换电路501连接；所述数模/模数转换电路501与第二光电探测器113、液晶偏振旋转器驱动器108和磁场驱动源401分别连接，通过数据处理终端502分析来自第二光电探测器113的信号解算出碱金属原子自旋感受到的磁场强度数据并向液晶偏振旋转器驱动器108发出液晶偏振信号、向磁场驱动源401发出磁场控制信号。
47.所述扩束系统110和聚焦系统111的放大倍数均可单独调节，经过扩束系统110的主光束激光的光斑尺寸调节至覆盖原子气室201，经过聚焦系统111的主光束激光的光斑尺寸调节至小于第二光电探测器113的光敏面尺寸。
48.所述测温电阻301与温控处理器304通过数据传输线连接；所述温控处理器304和热烘箱302分别通过数据传输线与射频功放驱动器303连接。
49.所述数模/模数转换电路501包括模数转换电路和数模转换电路，所述模数转换电路的输入端通过数据传输线与与第二光电探测器113的输出端连接；所述数模转换电路的输出端通过数据传输线与液晶偏振旋转器驱动器108和磁场驱动源401分别连接；所述模数转换电路的输出端和数模转换电路的输入端分别通过数据传输线与数据处理终端502连接。
50.所述原子气室201为密闭的透光玻璃气室；所述磁场线圈402为三维亥姆霍兹磁场线圈；所述温控处理器304为单片机。
51.本发明中所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置的工作原理如下：
52.以线偏振激光对原子气室201中的碱金属原子进行极化后，碱金属原子自旋产生张量极化。当发生磁共振时，第二光电探测器113输出的激光光幅度变化频率对应拉莫尔进动频率ω＝γb0。其中，γ表示碱金属原子的旋磁比，为常量；b0表示待测磁场的幅值。第二光电探测器113输出的激光光幅度变化位相信息中包含待测磁场的方位信息：
[0053][0054][0055]
其中，α表示激光偏振方向与待测磁场方向之间的夹角；ψ表示激励磁场与xz平面之间的夹角，xz平面与激光行进方向k垂直；表示第二光电探测器113输出信号一次谐波的位相；表示第二光电探测器113输出信号二次谐波的位相。根据表达式(1)和表达式(2)，磁场测量盲区与激光偏振方向有关。本发明通过周期性旋转激光偏振方向，实现无盲区磁场测量。
[0056]
一种所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0057]
步骤s1、按照激光经过顺序以及部件间连接关系将所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置组装好；
[0058]
步骤s2、所述激光器102在激光控制器101的驱动下发射线偏振激光；线偏振激光经过偏振分光镜104后分为参考光束和主光束；第一光电探测器105设置在参考光束的光路上，用于向激光控制器101反馈激光控制信号，使得激光控制器101实现对激光频率和功率的选择及稳定；第二二分之一波片106用于调整进入液晶偏振旋转器107前主光束激光偏振主轴的方向，使激光偏振主轴的方向落在液晶偏振旋转器107控制范围的中心区域；主光束激光经过扩束系统110后覆盖原子气室201；透射激光经过聚焦系统111的光斑尺寸小于第二光电探测器光敏面尺寸，经过第二反射镜112后被第二光电探测器113接收，光信号转换为电信号，通过数模/模数转换电路501传递给数据处理终端502；
[0059]
步骤s3、所述数据处理终端502向磁场驱动源401发出磁场控制信号；所述磁场驱动源401根据磁场控制信号产生原子气室201所需的交变激励磁场；
[0060]
步骤s4、所述温控处理器304根据测温电阻301返回的测量温度实时调整射频功放驱动器303输出电流大小，使原子气室201的温度稳定在预设温度
±
1℃范围内；
[0061]
步骤s5、所述数据处理终端502向液晶偏振旋转器驱动器108发出液晶偏振信号，通过调控液晶偏振旋转器驱动器108输出控制电压使经过液晶偏振旋转器107的主光束激光偏振方向发生旋转，用于实现主光束激光偏振方向的动态调整；
[0062]
步骤s6、所述数据处理终端502根据第二光电探测器113输入的电信号和对液晶偏振旋转器驱动器108发出的液晶偏振信号，解算得到待测磁场强度和方位信息。
[0063]
在步骤s4中的预设温度为40-100℃。
[0064]
在步骤s5中的液晶偏振信号为方波信号，用于周期性调整液晶偏振旋转器107；当方波处于低电平时动态调整，透射激光偏振方向不发生偏转；当方波处于高电平时，透射激光偏振方向产生45
°
旋转。
[0065]
所述低电平为0v；所述高电平为2.0-2.5v。
[0066]
本发明中所述的基于激光偏振调制的无盲区磁场测量装置，通过数据处理终端502向液晶偏振旋转器驱动器108发出液晶偏振信号，实现对液晶偏振旋转器107动态调整线偏振激光的偏振方向，从而周期性改变原子气室201中原子自旋的张量极化分布，有效消
除张量极化单一分布对应的矢量磁场测量盲区。该装置结构简单、易于实现，能够充分发挥原子磁力仪高灵敏、矢量测量的突出优势。本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。