一种原子光谱灯光泵磁强计的光路及其设计方法与流程

1.本发明属于原子磁强计技术领域，具体涉及一种原子光谱灯光泵磁强计的光路及其设计方法。


背景技术：

2.光泵磁强计具有探测灵敏度高的特点，在磁性目标探测、空间物理、生物医学、地质勘探等军民领域有着重要应用。光泵磁强计通过光与原子相互作用，探测原子在磁场中的塞曼效应，实现对外磁场场强的测量。利用铯原子光谱灯为光源和铯原子气室可实现高灵敏度的铯光泵磁强计，其灵敏度可优于0.5pt/hz
1/2
。
3.在外磁场下，原子的塞曼效应使得能级间的裂距随外界磁场的变化而变化。以
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cs原子为例，基态在外磁场下发生塞曼分裂，分裂后相邻能级间对应的拉莫尔频率f
l
与待测磁场b的关系可近似为f
l
＝γb/2π，其中γ为
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cs原子的磁旋比。利用波长为894.6nm(对应
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cs原子d1线)圆偏振光对
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cs原子进行抽运，原子吸收光子被极化，基态mf＝ 4能级上的原子布居数增加并达到饱和。当在原子气室外加上一个与拉莫尔频率f
l
相等的射频磁场时，发生光磁共振，此时原子对光的吸收发生变化，从而得到磁共振信号。通过磁共振信号可以测得原子的拉莫尔频率f
l
，间接得到待测磁场b的大小。
4.现有的光泵磁强计一般在原子光谱灯后加一个偏振片，得到线偏振光，但根据马吕斯定律i＝i0cos2θ，对角度进行积分，可得透过偏振片的光仅为入射光的1/2，限制了光泵光源的利用率，这样导致原子光谱灯的光源利用率太低，增加了光泵磁强计的整机功耗。
5.此外，若光泵磁强计采用单一左旋圆偏振光或单一右旋圆偏振光为光源，由于非线性塞曼效应，导致磁共振信号不对称，从而使光泵磁强计的转向差大；即光泵磁强计进行磁场测量时，若探头旋转180
°
，铯光泵磁强计对同一待测磁场进行测量时，测得的数值不一样，即为转向差，转向差会严重影响光泵磁强计的测量精度，以及在运动平台上的测量灵敏度。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种原子光谱灯光泵磁强计的光路及其设计方法，能够有效提高原子光谱灯光源的利用率，降低整机功耗，并有效抑制光泵磁强计的转向差。
7.本发明是通过下述技术方案实现的：
8.一种原子光谱灯光泵磁强计的光路，所述光泵磁强计位于待测磁场中，包括：原子光谱灯、第一平凸透镜、滤光片、pbs偏振分束器、反射镜、λ/4波片、原子气室及射频线圈；
9.所述原子光谱灯、第一平凸透镜、滤光片、pbs偏振分束器、λ/4波片及铯原子气室顺序并列布置，反射镜位于pbs偏振分束器的正上方，射频线圈绕装在所述原子气室的外部；其中，第一平凸透镜的平面侧与所述原子光谱灯相对，第二平凸透镜的平面侧与光电二极管相对；原子气室内充有工作原子；
10.所述光泵磁强计的光路如下：原子光谱灯的光经过第一平凸透镜后形成平行光束
一，再经过滤光片得到单一光谱的平行光束二；所述平行光束二通过pbs偏振分束器将分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，其中一束线偏振光继续沿原传播方向传播，另一束线偏振光垂直原传播方向传播，且两束线偏振光的光强相等；令沿原传播方向传播的线偏振光为线偏振光一，垂直原传播方向传播的线偏振光为线偏振光二；线偏振光一和线偏振光二的偏振方向互相垂直；
11.线偏振光二通过反射镜反射后形成线偏振光三，线偏振光三的传播方向平行于线偏振光一的传播方向，且与线偏振光一的传播方向不重合，线偏振光一和线偏振光三的偏振方向互相垂直；线偏振光一和线偏振光三经过λ/4波片后，得到两束平行、光强相等且旋向相反的圆偏振光，两束圆偏振光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
12.左旋圆偏振光和右旋圆偏振光穿过原子气室，原子气室内的工作原子被左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发，在待测磁场中产生塞曼分裂，进而产生拉莫尔进动；当原子气室外部的射频线圈中的射频信号频率与原子气室内的工作原子在待测磁场中的拉莫尔进动频率相等时，则发生磁共振，左旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号a，右旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号b，磁共振信号a和磁共振信号b之和即为待测磁场的磁共振信号，通过该磁共振信号可以测得待测磁场的大小。
13.进一步的，所述光泵磁强计还包括第二平凸透镜和光电二极管；
14.所述原子气室、第二平凸透镜及光电二极管顺序并列设置；
15.所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在穿过原子气室时，还与原子气室内的工作原子发生物理反应，产生光强的变化；产生光强的变化后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过第二平凸透镜进行汇聚，照射在光电二极管上，光电二极管将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光信号转化为电信号，对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强总和进行检测。
16.进一步的，所述原子光谱灯采用铯原子光谱灯，原子气室采用铯原子气室，铯原子气室内充有
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cs原子和缓冲气体；
17.铯原子光谱灯的光经过滤光片得到
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cs原子d1线对应的波长为894.6nm的单一光谱的平行光束。
18.进一步的，所述原子气室保持设定温度，使得金属气体原子能够正常工作。
19.进一步的，对原子光谱灯进行加热，并输入高频激励，原子光谱灯发光。
20.进一步的，所述λ/4波片的光轴与线偏振光一或线偏振光三的偏振方向的夹角为45
°
。
21.一种原子光谱灯光泵磁强计的光路设计方法，步骤如下：
22.步骤1、对铯原子光谱灯进行加热，并加上高频激励使铯原子光谱灯发光；
23.步骤2、在铯原子光谱灯后放置第一平凸透镜，并通过调节第一平凸透镜与铯原子光谱灯的距离，得到平行光束一；
24.步骤3、在第一平凸透镜后放置滤光片，平行光束一经过滤光片后得到
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cs原子d1线对应的894.6nm单一光谱的平行光束二，此时平行光束二的偏振方向在各个方向均匀分布；
25.步骤4、在滤光片后放置pbs偏振分束器，平行光束二经过pbs偏振分束器后得到两束偏振方向相互垂直、光强相等的线偏振光，其中一束线偏振光继续沿原传播方向传播，另一束线偏振光垂直原传播方向传播；令沿原传播方向传播的线偏振光为线偏振光一，垂直
原传播方向传播的线偏振光为线偏振光二；
26.步骤5、在线偏振光二的所在侧放置反射镜，使线偏振光二通过反射镜反射后形成线偏振光三，线偏振光三的传播方向平行于线偏振光一的传播方向，且与线偏振光一的传播方向不重合；
27.步骤6、在pbs偏振分束器后放置λ/4波片，并使该λ/4波片的光轴与线偏振光一或线偏振光三的偏振方向的夹角为45
°
，线偏振光一和线偏振光三经过λ/4波片后，得到两束平行、光强相等且旋向相反的圆偏振光，两束圆偏振光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
28.步骤7、在λ/4波片后放置铯原子气室，铯原子气室内充有
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cs原子和缓冲气体，且铯原子气室保持设定温度，使得
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cs原子能够正常工作；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光穿过铯原子气室，并与铯原子气室内的
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cs原子发生物理反应，产生光强的变化；
29.步骤8、在铯原子气室后放置第二平凸透镜，穿过铯原子气室后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过第二平凸透镜后，汇聚到光电二极管上，由光电二极管同时对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强的总和进行检测；
30.同时，在铯原子气室外绕装射频线圈，通过自激振荡或者控制程序调节射频线圈的射频信号频率，使该射频信号频率与铯原子气室内的
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cs原子在待测磁场中的拉莫尔频率相等，则发生磁共振，左旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号a，右旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号b，磁共振信号a和磁共振信号b之和即为待测磁场的磁共振信号，再通过该磁共振信号测得待测磁场的大小。
31.有益效果：本发明通过采用一个pbs偏振分束器，对原子光谱灯的输出光进行偏振分束，分别得到两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再经过一个反射镜和一个λ/4得到两束传播方向平行、光强相等、旋向相反的圆偏振光，即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时平行经过同一个原子气室，得到对称的磁共振信号；该方法可以有效提高原子光谱灯光源的利用率，将原子光谱灯的光源利用率提高1倍，降低整机功耗，同时还可以有效抑制光泵磁强计的转向差，提高激光光泵磁强计的测量精度和灵敏度。
附图说明
32.图1为本发明的光泵磁强计的光路图；
33.图2为本发明的抑制光泵磁强计的转向差的原理图；
34.其中，1-原子光谱灯，2-第一平凸透镜，3-滤光片，4-pbs偏振分束器，5-反射镜，6-λ/4波片，7-原子气室，8-射频线圈，9-第二平凸透镜，10-光电二极管。
具体实施方式
35.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
36.本实施例提供了一种原子光谱灯光泵磁强计的光路，参见附图1，所述光泵磁强计位于待测磁场中，包括：原子光谱灯1、第一平凸透镜2、滤光片3、pbs偏振分束器4、反射镜5、λ/4波片6、原子气室7、射频线圈8、第二平凸透镜9及光电二极管10；
37.所述原子光谱灯1、第一平凸透镜2、滤光片3、pbs偏振分束器4、λ/4波片6、铯原子气室7、第二平凸透镜9及光电二极管10顺序并列布置，反射镜5位于pbs偏振分束器4的正上
方，射频线圈8绕装在所述原子气室7的外部；其中，第一平凸透镜2的平面侧与所述原子光谱灯1相对，第二平凸透镜9的平面侧与光电二极管10相对；
38.本实施例以
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cs原子为工作原子，所述原子光谱灯1采用铯原子光谱灯，原子气室7采用铯原子气室，铯原子气室内充有
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cs原子和缓冲气体，且铯原子气室保持设定温度，使得
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cs原子能够正常工作；
39.所述光泵磁强计的光路如下：对铯原子光谱灯进行加热，并输入高频激励，铯原子光谱灯发光；铯原子光谱灯的光经过第一平凸透镜2后形成平行光束一，再经过滤光片3得到
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cs原子d1线对应的波长为894.6nm的单一光谱的平行光束二；所述平行光束二通过pbs偏振分束器4将分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，其中一束线偏振光继续沿原传播方向传播(即沿平行光束二的方向)，另一束线偏振光垂直原传播方向传播(即垂直平行光束二的方向)，且两束线偏振光的光强基本相等；令沿原传播方向传播的线偏振光为线偏振光一，垂直原传播方向传播的线偏振光为线偏振光二；线偏振光一和线偏振光二的偏振方向互相垂直；
40.线偏振光二通过反射镜5反射后形成线偏振光三，线偏振光三的传播方向平行于线偏振光一的传播方向，且与线偏振光一的传播方向不重合，线偏振光一和线偏振光三的偏振方向互相垂直；在pbs偏振分束器4后的λ/4波片6的光轴与线偏振光一或线偏振光三的偏振方向的夹角为45
°
，线偏振光一和线偏振光三经过λ/4波片6后，得到两束平行、光强相等且旋向相反的圆偏振光，两束圆偏振光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
41.左旋圆偏振光和右旋圆偏振光穿过铯原子气室，并与铯原子气室内的
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cs原子发生物理反应，产生光强的变化，同时，铯原子气室内的工作原子被左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发，在待测磁场中产生塞曼分裂，进而产生拉莫尔进动；
42.产生光强的变化后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过第二平凸透镜9进行汇聚之后，照射在光电二极管10上，光电二极管10将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光信号转化为电信号，实现对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强总和的检测；
43.由于铯原子气室7外绕有射频线圈8，当射频线圈8中的射频信号频率与铯原子气室7内的
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cs原子在待测磁场中的拉莫尔进动频率相等时，则发生磁共振，左旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号a，右旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号b，磁共振信号a和磁共振信号b之和即为待测磁场的磁共振信号，通过该磁共振信号可以测得待测磁场的大小。
44.所述光路的设计方法的具体步骤如下：
45.步骤1、对铯原子光谱灯进行加热，并加上高频激励使铯原子光谱灯发光；
46.步骤2、在铯原子光谱灯后放置第一平凸透镜2，并通过调节第一平凸透镜2与铯原子光谱灯的距离，得到平行光束一；
47.步骤3、在第一平凸透镜2后放置滤光片3，平行光束一经过滤光片3后得到
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cs原子d1线对应的894.6nm单一光谱的平行光束二，此时平行光束二的偏振方向在各个方向均匀分布；
48.步骤4、在滤光片3后放置pbs偏振分束器4，平行光束二经过pbs偏振分束器4后得到两束偏振方向相互垂直、光强相等的线偏振光，其中一束线偏振光继续沿原传播方向传播(即沿平行光束二的方向)，另一束线偏振光垂直原传播方向传播(即垂直平行光束二的
方向)；令沿原传播方向传播的线偏振光为线偏振光一，垂直原传播方向传播的线偏振光为线偏振光二；
49.步骤5、在线偏振光二的所在侧放置反射镜5，使线偏振光二通过反射镜5反射后形成线偏振光三，线偏振光三的传播方向平行于线偏振光一的传播方向，且与线偏振光一的传播方向不重合；
50.步骤6、在pbs偏振分束器4后放置λ/4波片6，并使该λ/4波片6的光轴与线偏振光一或线偏振光三的偏振方向的夹角为45
°
线偏振光一和线偏振光三经过λ/4波片6后，得到两束平行、光强相等且旋向相反的圆偏振光，两束圆偏振光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
51.步骤7、在λ/4波片6后放置铯原子气室，铯原子气室内充有
133
cs原子和缓冲气体，且铯原子气室保持设定温度，使得
133
cs原子能够正常工作；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光穿过铯原子气室，并与铯原子气室内的
133
cs原子发生物理反应，产生光强的变化，同时，铯原子气室内的工作原子被左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发，在待测磁场中产生塞曼分裂，进而产生拉莫尔频率；
52.步骤8、在铯原子气室后放置第二平凸透镜9，穿过铯原子气室后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过第二平凸透镜9后，汇聚到光电二极管10上，由光电二极管10同时对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强的总和进行检测；
53.同时，在铯原子气室外绕装射频线圈8，通过自激振荡或者控制程序调节射频线圈8的射频信号频率，使该射频信号频率与铯原子气室7内的
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cs原子在待测磁场中的拉莫尔频率相等，则发生磁共振，左旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号a，右旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号b，磁共振信号a和磁共振信号b之和即为待测磁场的磁共振信号，再通过该磁共振信号测得待测磁场的大小。
54.所述提高原子光谱灯光源利用率的原理为：采用一pbs偏振分束器4将原子光谱灯1发出的偏振方向均匀分布的平行光平均分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，再通过一反射镜5和一λ/4波片6得到两束传播方向平行、光强相等、旋向相反的圆偏振光，即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；相对于现有采用偏振片实现以上目的的方法，光源利用率提高1倍。
55.所述抑制光泵磁强计转向差的原理为：采用单一左旋圆偏振光或单一右旋圆偏振光进行磁场测量时，得到磁共振信号，由于非线性塞曼效应，该信号左右不对称；参见附图2，σ 对应的曲线为左旋圆偏振光获取的磁共振信号，由于非线性塞曼效应，该信号左右不对称；σ-对应的曲线为右旋圆偏振光获取的磁共振信号，由于非线性塞曼效应，该信号也呈现左右不对称；本实施例采用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时进行磁场测量，左旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号a，右旋圆偏振光穿过原子气室获得的磁共振信号b，磁共振信号a和磁共振信号b之和即为待测磁场的磁共振信号，该磁共振信号左右对称，抑制了光泵磁强计的转向差。
56.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。