一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置

1.本发明涉及磁场探测领域，尤其涉及一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置。


背景技术：

2.近年来，磁场探测应用的领域越来越广泛，特别是对微弱磁场信号的检测，广泛应用于地质测量、矿产探测、军事、工业制造以及生物医学等领域，磁强计则是磁场检测领域中被人们关注最多的检测设备。随着应用领域的多样化以及待测目标自身磁强度微弱等原因，实际应用中对于探测器的灵敏度有很高的要求，同时在磁图成像中定位精度的需求也对探测器尺寸有着限制。研发和制作便携式超高灵敏度探头对磁场测量装置对该领域的应用有着十分重要的意义。
3.与传统磁场测量装置相比，单光束小型化的磁场测量装置优势明显：体积小，灵敏度高，应用领域更广泛，尤其是在弱磁测量领域如心脑磁测量等领域有重要的经济、社会、科学价值。随着研究的不断深入，提高灵敏度和减小装置体积的需求越来越高，但限于磁场测量装置需要两种不同偏振模式光束分别进行泵浦和检测，现有技术很难在提高灵敏度的同时减小装置体积，在实际使用场景中受限较大，严重阻碍了单光束小型化的磁场测量装置的深入研究以及市场的发展。在先技术专利号为cn112363095a，名为“基于声光调制的激光稳定型serf原子磁强计信号检测系统”中，虽然存在一些优点，但与本发明专利相比，仍存在着一定的不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置，包括相位矢量化偏振光调控模块、碱金属原子气室模块、偏振模式分离模块、线偏振模式光束分光模块和数据采集模块，所述相位矢量化偏振光调控模块、碱金属原子气室模块、偏振模式分离模块、线偏振模式光束分光模块依次光路设置，所述线偏振模式光束分光模块于所述光路上设有多个光电探测器，多个所述光电探测器皆与所述数据采集模块信号连接；
5.所述碱金属原子气室模块设有碱金属原子气室，所述碱金属原子气室设置于所述光路上；
6.所述相位矢量化偏振光调控模块包括线偏光发生器和光路设置的分束棱镜、反射式纯相位空间光调制器、第三透镜、第四透镜、反射镜和m阶涡旋波片，所述第三透镜、第四透镜、反射镜和m阶涡旋波片的焦距相同；
7.所述线偏光发生器发射的线偏振光通过所述分束棱镜进入所述反射式纯相位空间光调制器，进入所述反射式纯相位空间光调制器的线偏振光携带特定相位编码再反射回分束棱镜并折射，折射的线偏振光经过焦距相同的第三透镜和第四透镜、反射镜和m阶涡旋波片，并进入所述碱金属原子气室模块；
8.经过所述m阶涡旋波片后的所述线偏振光即为经过相位矢量化偏振光调控所产生的混合偏振矢量涡旋光束，所述混合偏振矢量涡旋光束具体为：外环为圆偏振模式、中心为线偏振模式且两种模式可分离的混合偏振矢量涡旋光束，所述混合偏振矢量涡旋光束的圆偏振模式光束与所述碱金属原子气室中的碱金属原子进行泵浦使原子极化；所述混合偏振矢量涡旋光束的线偏振模式光束依次经过所述偏振模式分离模块和线偏振模式光束分光模块并进入所述光电探测器进行检测。
9.进一步地，所述偏振模式分离模块包括依次光路设置的第五透镜和第六透镜，所述第五透镜的焦点区域中设置有针孔，所述混合偏振矢量涡旋光束中的圆偏振模式光束被所述针孔消除。
10.进一步地，所述线偏振模式光束分光模块包括偏振分束棱镜、第七透镜和第八透镜，多个所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述混合偏振矢量涡旋光束的线偏振模式光束通过所述偏振分束棱镜分为两道光束，两道所述光束分别通过所述第七透镜和第八透镜聚焦到第一光电探测器和第二光电探测器中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器用于探测两道光束的光强信息。
11.进一步地，所述数据采集模块包括锁相放大器和数据采集系统，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器皆与所述锁相放大器信号连接，所述锁相放大器与所述数据采集系统信号连接；
12.第一光电探测器和第二光电探测器将两道光束的光强信息通过信号传输至锁相放大器，所述且锁相放大器将两道光强信息传输至所述数据采集系统，所述数据采集系统将光强信息转化为电信号后，通过数据处理，实现磁场检测。
13.进一步地，所述碱金属原子气室外周设置有无磁电加热件，所述无磁电加热件外周设有磁场线圈件，所述磁场线圈件外周设置有磁屏蔽件，且所述磁场线圈件连接有信号发生器。
14.进一步地，所述信号发生器产生有作用于所述磁场线圈件的电压信号，所述磁场线圈件接收所述电压信号对所述碱金属原子自旋进行调制，被调制后的所述碱金属原子自旋信号因受到环境磁场影响引起光束旋光角变化，所述光束旋光角变化由两个所述光电探测器接收并转换为电流信号传输至所述锁相放大器，所述锁相放大器对所述电流信号进行放大并输出至所述数据采集系统。
15.进一步地，所述信号发生产生的电压信号为正弦波电压信号或方波电压信号或锯齿形电压信号。
16.进一步地，所述线偏光发生器包括发射光束的激光光源和依次光路设置的起偏器、第一透镜和第二透镜，所述激光光源通过所述起偏器后产生线偏振光，所述第一透镜和所述第二透镜用于对所述线偏振光进行扩束准直。
17.进一步地，所述m阶涡旋波片的阶数为30阶、60阶和120阶其中一种。
18.进一步地，于所述混合偏振矢量涡旋光束中，圆偏振模式光束能量大于线偏振模式光束能量且能量大小可调，所述圆偏振模式光束和所述线偏振模式光束之间的间隔大小可调，大小可调的间隔用以适应多种尺寸和形状的碱金属原子气室。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：基于相位矢量化偏振模式调控方法产生包含圆偏振模式和线偏振模式且两种模式可分离的混合偏振矢量涡旋光束，可实
现在结构简单的光路下完成光束泵浦与检测两部分工作；且两种偏振模式部分能量可调，间隔大小可调，大幅提高该基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量方法及装置的灵敏度；体积更小，结构更加的紧凑。
附图说明
20.图1为本发明一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置的结构示意图；
21.图2为本发明外环为圆偏振、中心为线偏振的混合偏振矢量涡旋光束示意图。
22.图中，1、激光光源；2、起偏器；3、第一透镜；4、第二透镜；5、分束棱镜；6、反射式纯相位空间光调制器；7、第三透镜；8、第四透镜；9、反射镜；10、m阶涡旋波片；11、碱金属原子气室；12、无磁电加热件；13、磁场线圈件；14、磁屏蔽件；15、第五透镜；16、第六透镜；17、偏振分束棱镜；18、第七透镜；19、第一光电探测器；20、第八透镜；21、第二光电探测器；22、锁相放大器；23、数据采集系统；24、针孔；25、信号发生器。
具体实施方式
23.下面将结合示意图对本发明一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围
25.如图1所示，一种基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量装置，包括相位矢量化偏振光调控模块、碱金属原子气室模块、偏振模式分离模块、线偏振模式光束分光模块和数据采集模块。
26.相位矢量化偏振光调控模块，由激光光源1出射光束，经起偏器2产生线偏振光，第一透镜3和第二透镜4进行扩束准直，经过分束棱镜5使透射光照射到反射式纯相位空间光调制器6后携带特定相位编码再反射回分束棱镜5并折射，经过焦距相同的第三透镜7和第四透镜8、反射镜9和m阶涡旋波片10，保证反射式纯相位空间光调制器6和m阶涡旋波片10中编码的相位共轭。其中，m阶涡旋波片10为阶数为30阶、60、120阶其中一种的定制m皆涡旋波片10，而相位共轭后的光束即为经过相位矢量化偏振光调控所产生的外环为圆偏振、中心为线偏振的偏振模式分离的混合偏振矢量涡旋光束，如图2所示。
27.上述产生的外环为圆偏振、中心为线偏振的偏振模式分离的混合偏振矢量涡旋光束中，圆偏振模式部分的光束能量远大于线偏振模式部分的光束能量且能量大小可调，两种模式间隔大小可调，用以适应多种尺寸、形状的碱金属原子气室11。
28.混合偏振矢量涡旋光束入射到碱金属原子气室模块中的碱金属原子气室11，光束中的圆偏振光部分对碱金属原子气室11中的碱金属原子进行泵浦使原子极化。混合偏振矢量涡旋光束由碱金属原子气室11出射后，经过偏振模式分离模块。
29.偏振模式分离模块包括焦距相同的第五透镜15和第六透镜16、针孔24。检测光所不需要的圆偏振模式被第五透镜15焦点区域中的针孔24消除，并且仅保留检测光所需要的线偏振模式光束，线偏振模式光束而后经过线偏振模式光束分光模块中的偏振分束棱镜17将所分出的两束光分别通过第七透镜18和第八透镜20聚焦到第一光电探测器19和第二光电探测器21中。
30.数据采集模块包括锁相放大器22和数据采集系统23，第一光电探测器19和第二光电探测器21探测两束光的光强信息并传输至锁相放大器22进而传输至数据采集系统23，数据采集系统23将光信息转化为电信号后，通过数据处理，实现磁场检测。
31.碱金属原子气室11外部设置有无磁电加热件12，无磁电加热件12外部设置有磁场线圈件13，磁场线圈件13与信号发生器25相连并产生x、y、z三个正交方向的磁场，磁场线圈件13外部设置有磁屏蔽件14，第一光电探测器(19)和第二光电探测器21分别连接锁相放大器22，锁相放大器22连接数据采集系统23。
32.无磁电加热模块12使碱金属原子的原子数密度达到并稳定在一定数值满足磁场检测的需要，信号发生器25对磁场线圈件13进行调制，产生相应磁场抵消掉外部磁场噪声保证碱金属原子气室11周围磁场无限接近于零。磁屏蔽件14将碱金属原子气室11与外界磁场隔离，保证磁场检测不受外界磁场干扰。
33.且信号发生器25产生正弦波或方波或锯齿波电压信号作用于所述磁场线圈件13，从而对所述碱金属原子气室11中的碱金属原子自旋进行调制，被调制后的碱金属原子自旋信号因受到环境磁场影响引起光束旋光角变化，该变化由第一光电探测器19和第二光电探测器21接收并转换为电流信号，由锁相放大器22进行放大并输出至数据采集系统23进而传输至数据采集系统23，数据采集系统23对电信号进行数据处理，实现磁场检测。
34.本发明专利在磁场测量方法及装置中采用单光束设计思路，基于相位矢量化偏振模式调控方法产生包含圆偏振模式和线偏振模式且两种模式可分离的混合偏振矢量涡旋光束，可实现在结构简单的光路下完成光束泵浦与检测两部分工作，且两种偏振模式部分能量可调，间隔大小可调，大幅提高该基于相位矢量化偏振模式调控的磁场测量方法及装置的灵敏度，体积更小，结构更加的紧凑。
35.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。