一种全偏振调控极弱磁场检测装置

1.本发明涉及磁场检测领域，尤其涉及一种全偏振调控极弱磁场检测装置。


背景技术：

2.磁场信号探测，特别是微弱磁场信号的探测在当代科学领域越来越受到人们的重视，已经应用到了空间科学与探测技术、物质化学成分及结构分析、生物磁场检测等诸多领域。原子磁强计因为其超高的检测灵敏度得到了十分广泛的应用，然而目前的磁强计远远没有达到其极限灵敏度，并且由于采用普通的圆偏振光泵浦，线偏振光检测的方案，得到的磁场信息往往只能是单个点的磁场强度，无法实现磁场分布的检测，用于心磁图和脑磁图检测的多通道磁强计往往是把较多的磁强计进行级联，这样做的缺点是导致设备昂贵，操作复杂，而且每个探头之间的协同、耦合、解耦等很难控制，研发和制作具有单检测光束多通道磁场分布检测超高灵敏磁场测量装置具有十分重要的意义。
3.与传统的多通道微弱磁场检测装置相比，采用单检测光束对磁场进行多通道检测以及磁场成像具有巨大的优势：基于相位矢量化偏振模式调控方法在不同的九个位置产生不同偏振方向的线偏振光，实现了光束的像素级调制，通过对检测光的像素级调控，使得检测磁场的分布信息具有更高的灵敏度和检测精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种全偏振调控极弱磁场检测装置，一种全偏振调控极弱磁场检测装置包括圆偏振泵浦光路、线偏振检测光路、磁屏蔽和磁补偿系统、检测系统以及数据采集和处理系统，所述检测系统与所述数据采集和处理系统信号连接；所述磁屏蔽和磁补偿系统内部设有碱金属原子气室；
5.所述圆偏振泵浦光路发射圆偏振光进入所述碱金属原子气室，实现碱金属原子的极化；
6.所述线偏振检测光路由光路发生器以及依次光路设置的相位控制系统和滤波系统组成，所述相位控制系统包括反射式相位空间调制器和依次光路设置的第一分束棱镜、第五透镜、第六透镜、第二反射镜和m阶涡旋波片，所述第五透镜、第六透镜、第二反射镜和m阶涡旋波片的焦距相同；
7.所述光路发生器发射检测光路，所述检测光路通过所述第一分束棱镜进入所述反射式相位空间光调制器中进行特定编码调制，经过特制编码调制后的所述检测光路通过所述第一分束棱镜折射后依次通过第五透镜、第六透镜、第二反射镜和m阶涡旋波片，在检测光路中的九个点生成偏振方向不同的混合线偏振矢量涡旋光束并形成检测光阵；所述检测光阵通过所述滤波系统进入所述碱金属原子气室并与所述圆偏振泵浦光路正交，对极化后的碱金属原子进行检测，检测后的所述检测光阵进入检测系统。
8.进一步地，所述检测系统检测通过碱金属原子气室后的检测光阵的光强信息，得到空间中的光强分布信息，所述信号采集和处理系统将检测到的信息进行光场模式提取，
同时将检测到的光强信号转化为磁场信息，从而实现单检测光束多通道磁场分布检测，达到像素级磁场分布成像效果。
9.进一步地，所述检测系统包括1/2波片、第二分束棱镜、光场模式检测组件和光电探测器检测组件，所述光场模式检测组件和光电探测器检测组件皆与所述数据采集和处理系统信号连接，所述检测光阵穿过所述1/2波片后经过所述第二分束棱镜分为两道光束，一道光束进入所述光场模式检测组件，另一道光束进入所述光电探测器检测组件。
10.进一步地，所述光场模式检测组件包括依次光路设置的检偏器和ccd探测器,所述ccd探测器探测检测光阵的光场模式信息并通过信号传输至所述数据采集和处理系统；所述光电探测器检测组件包括依次光路设置偏振差分阵列和光电探测器阵列，所述偏振差分阵列对检测阵列的光强信号进行差分计算，光电探测器阵列探测检测阵列的光强信息，并将所述光强信息和计算信息通过信号传输至所述数据采集和处理系统。
11.进一步地，所述磁屏蔽和磁补偿系统由磁屏蔽桶和主动补偿件组成，所述主动补偿件设于所述磁屏蔽桶内部，所述磁屏蔽桶采用高导磁材料的一种；所述主动补偿件采用三轴线圈结构设置。
12.进一步地，所述磁屏蔽桶外周设有供所述圆偏振泵浦光路通过的第一透光孔组，所述磁屏蔽桶的端部设有供所述线偏振检测光路通过的第二透光孔组，每组透光孔组设有两个透光孔，第一组所述透光孔组的两个所述透光孔对称设于所述磁屏蔽桶的外周，所述第二组透光孔组的两个所述透光孔分别设于所述磁屏蔽桶相对的两端。
13.进一步地，所述圆偏振泵浦光路包括发射圆偏振光的激光器、以及依次光路设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第一起偏器和1/4波片，所述泵浦光路穿过所述1/4波片后通过所述第一透光孔组进入所述碱金属原子气室，使碱金属原子产生自旋极化。
14.进一步地，所述圆偏振泵浦光路还设有第一反射镜，所述圆偏正泵浦光路通过所述第一反射镜原光路返回至所述碱金属原子气室，使所述碱金属原子产生二次极化。
15.进一步地，所述碱金属原子气室外周还设有加热件，所述加热件通过无磁电加热或激光加热方式对碱金属原子气室进行加热。
16.进一步地，所述碱金属原子气室内碱金属原子为钾原子、铷原子、铯原子其中的一种或其中两种混合。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
18.1、基于相位矢量化偏振模式调控方法和微弱磁场信号检测技术，光束经过相位矢量化后可以对线偏振光进行单点调制，在光束中九个不同位置生成偏振方向不同的混合线偏振矢量涡旋光束，达到了光束的像素级控制；
19.2、通过对检测光的超高精度调控，提高了磁场检测的灵敏度和检测精度，同时光束的大小可调，满足不同形状的碱金属原子气室，适应能力强，使得检测磁场的分布信息具有更高的灵敏度和检测精度；
20.3、采用单检测光束解决了系统级联时相互影响、强耦合的的问题，系统稳定性好、可靠性强、分辨率高。
附图说明
21.图1为本发明一种全偏振调控极弱磁场检测装置的结构图；
22.图2为本发明基于偏振型空间光调制器的线偏振检测光路出射线偏振光阵列的偏振方向。
23.图中，1、检测激光器；2、第二起偏器；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第一分束棱镜；6、反射式纯相位空间光调制器；7、第五透镜；8、第六透镜；9、第二反射镜；10、m阶涡旋波片；11、第一物镜；12、针孔；13、第二物镜；14、激光器；15、第一透镜；16、第二透镜；17、光阑；18、第一起偏器；19、1/4波片；20、碱金属原子气室；21、磁屏蔽和磁补偿系统；22、第一反射镜；23、1/2波片；24、第二分束棱镜；25、检偏器；26、ccd探测器；27、偏振差分阵列；28、光电探测器阵列。
具体实施方式
24.下面将结合示意图对本发明一种全偏振调控极弱磁场检测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。
25.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。
26.如图1所示，一种全偏振调控极弱磁场检测装置，包括圆偏振泵浦光路、基于偏振型空间光调制器的线偏振检测光路、磁屏蔽和磁补偿系统、碱金属原子气室、光场模式检测系统、光电探测器检测系统、数据采集和处理系统。
27.圆偏振泵浦光路：泵浦激光由激光器14射出，经第一透镜15和第二透镜16扩束准直后，再通过光阑17进行滤波后，经过第一起偏器18和1/4波片19将线偏振光变为圆偏振光，圆偏振光通过磁屏蔽和磁补偿系统21上的通光孔入射到碱金属原子气室20，圆偏振泵浦光垂直入射到碱金属原子气室20后，会和气室内的碱金属原子发生反应，碱金属原子会吸收光子携带的角动量从而发生能级跃迁，气室内的碱金属原子的自旋极化会有一个宏观的趋势，光路透过气室和磁屏蔽桶后会通过第一反射镜22再次经过气室与碱金属原子反应，产生二次极化，极大的提高了极化率。且圆偏振泵浦光路为基本光路的一种，可在系统中增加滤波系统以保证光束质量，在实际系统中可增加任意反射镜以适应系统结构；激光器的泵浦波长由碱金属原子能级跃迁谱线决定。
28.参考图2，基于偏振型空间光调制器的线偏振检测光路：偏振型空间光调制器由相位控制系统和滤波系统组成，相位控制系统包括第一分束棱镜5、反射式纯相位空间光调制器6、第五透镜7、第六透镜8、第二反射镜9、m阶涡旋波片10组成，滤波系统由第一物镜11、针孔12和第二物镜13组成。线偏振检测光路由光路发生器射出光路，光路发生器包括射出检测光路的检测激光器1，使检测光源产生线偏振光的起偏器2和对光路进行扩束准直的第三透镜3和第四透镜4，经过第一分束棱镜5使透射光入射到反射式纯相位空间光调制器6，反射式纯相位空间光调制器6对光束进行特定编码调制后，反射到第一分束棱镜5并折射，经过焦距相同的第五透镜7、第六透镜8、第二反射镜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共轭，光束经过相位矢量化后对线偏振光进行像素级调制，在光束中九个位置产生九种不同偏振方向的线偏振光并形成线偏振检测光阵列，线偏振检测光阵列经过第一物镜11、针孔12和第二物镜13组成的滤波系统滤波后入射到碱金属原子气室20并且与圆偏振泵浦光相互正交，对极化后的碱金属原子进行检测。值得一提的是，检测光的光斑大小可调，用以适应各种尺寸和形状的碱金属原子气室20。
29.磁屏蔽和磁补偿系统21由磁屏蔽桶和内部的主动补偿件组成，磁屏蔽桶采用坡莫合金等高导磁材料中的一种，主动补偿件采用三轴线圈结构设计，磁屏蔽和磁补偿系统21通过磁屏蔽桶和主动补偿件共同作用将磁屏蔽桶内部的剩磁降到极低的量级，提高检测系统的灵敏度。碱金属原子气室20外周设置有加热件，加热件加热碱金属原子气室20，为碱金属原子气室20提供稳定的温度环境，保证了气室内有很高的原子数密度；而碱金属原子气室20提供了原子源，碱金属原子气室20内部碱金属原子为钾原子、铷原子、铯原子其中的任意一种或者任意两种按照特定比例混合；加热件采用无磁电加热或激光加热等加热方式中的一种。且加热件采用控制算法快速、稳定的控制气室内的温度，达到所需的原子数密度。
30.线偏振检测光阵列穿过1/2波片23后，经过第二分束棱镜24分光，其中一束光经过检偏器25后，进入ccd探测器26用于检测光场模式，然后传输至数据采集和处理系统；另一束光通过偏振差分阵列27进行差分处理后由光电探测器阵列28接收，最后由数据采集和处理系统进行数据处理。
31.光电探测器阵列28检测通过原子气室后九个不同点的光强信息，得到空间中的光强差分信号；ccd探测器26通过检测输出图像得到光场模式信息，光强信号与光旋角信号正比例关系，而光旋角信号又正比于要检测的微弱磁场的大小，数据采集和处理系统将ccd探测器26和光电探测器阵列28检测到的信息进行光场模式提取，同时将检测到的光强信号转化为磁场信息，从而实现单检测光束多通道磁场分布检测，达到像素级磁场分布成像效果。
32.本发明专利的发明点在于基于偏振型空间光调制器光场调控技术和微弱磁场信号检测技术，通过相位-偏振光场调控技术在单检测光束中实现线偏振光的不同方向控制，可以得到空间中不同位置处的磁场信号，进而得到空间磁场分布。本发明专利所述的一种新型全偏振调控极弱磁场检测装置，具有超高灵敏度，检测精度非常高、系统稳定性好、分辨率高，实现了像素级磁场分布成像，能满足绝大多数磁场检测和磁场成像应用领域，本质上避免在先技术的不足。
33.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。