[发明专利]一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，属于磁场测量技术领域。

背景技术

利用相干的双色光与原子相干耦合实现对原子的相干布局囚禁（以下简称CPT，Coherent Population Trapping），获得的CPT共振信号具有线宽窄和不受激光器本身线宽影响的特性，可应用于磁强计和原子钟等领域。CPT原子磁力仪由于其全光学特性，兼具体积小、功耗低等特点，使得它广泛用于各类磁场测量场合。其中低航向误差和无死区的物理属性，使得它在某些移动测磁领域更有着独特的优势。

目前，CPT磁强计系统所需的双色相干光束的获取手段主要有三种：

1.通过染料激光器的不同模式产生双频相干光，如文献：M.O.Scully and M.Fleischhauer,Physical Review Letters69,1360(1992).所记载；

2.通过锁相环技术将一台激光器锁定于另一台参考激光器上，获得双频相干光，如文献：A.N.R.Wynands,Appl.Phys.B68,1(1999).所记载；

3.另一种是通过微波调制垂直腔面发射激光器（VCSEL）获得，如文献：R.Wynands,S.Knappe,J.Kitching,L.Hollberg,A.Taichenachev,and V.Yudin,Optics letters27,1472(2002).所记载。

CPT现象是于染料激光器产生的光场中首先观测到的，但是染料激光器输出光线宽较宽，频率差调节不便，信号对比度不高，所以基本已经退出了CPT所需光源的制备领域；通过锁相环将两台激光器相位统一原理上能够实现任意频率差的激光输出，而且两束光束空间独立，调节较为方便，但系统相对复杂；微波调制垂直腔面激光器的方法因为它成本低廉，操作方便，成为目前本领域应用最广泛的方法。

上述三种方法中后两种都有其特有的优势，但是在测量过程中皆需要对其频率进行扫描，所以不利于激光器的长期稳定，也不利于磁强计的长期稳定工作，同时也对磁强计的闭环产生了一定的障碍。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，改变已有CPT测磁系统中的相干光源的产生方式，利用原子固有性质，实现对磁场的绝对跟踪测量、梯度测量或者磁图绘制。

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，包括：

激光光源，用于产生频率稳定的激光；

光纤电光调制器，用于接收激光，并根据频率综合器的经调制的微波调制信号，产生相干光源，光纤电光调制器通过单模保偏光纤与激光光源相连，通过高频信号线与频率综合器相连；

探测光路，用于接收相干光源，探测外部磁场对激光吸收强度产生的变化，产生相应的电压信号，探测光路通过单模保偏光纤与光纤电光调制器相连；

锁相放大器，用于接收探测光路产生的电压信号和信号源产生的正弦调制信号，将电压信号与正弦调制信号进行混频滤波，得到一个误差信号，并将该误差信号输送至伺服控制器，锁相放大器同时通过信号线与探测光路和信号源相连；

信号源，用于产生一个正弦调制信号和一个三角波扫频信号，并将正弦调制信号与三角波扫频信号发送至加法器，同时将其中的正弦调制信号发送至锁相放大器，信号源同时与锁相放大器和加法器相连；

加法器，用于接收信号源的正弦调制信号、三角波扫频信号和来自伺服控制器的反馈控制信号，并将正弦调制信号、三角波扫频信号与反馈控制信号相加，得到闭环电压信号，并将闭环电压信号发送至频率综合器，加法器通过信号线同时与信号源和频率综合器相连；

频率综合器，用于接收加法器的闭环电压信号，将闭环电压信号转换成为调制频率，并将调制频率叠加到由频率综合器本身产生的微波信号上，得到经调制的微波调制信号，频率综合器通过信号线与光纤电光调制器相连；

伺服控制器，用于接收锁相放大器的误差信号，根据误差信号产生一个反馈控制信号，并将该反馈控制信号同时发送至加法器和数据处理器，伺服控制器通过信号线同时与加法器和数据处理器相连；

数据处理器，用于接收伺服控制器的反馈控制信号，并将反馈控制信号的电压转换成待测磁场强度。

上述测磁系统中的探测光路，可以有两种不同结构，其中：

第一种提出光路的结构为：

光纤耦合头，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；