[发明专利]集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪

权利要求书

1.一种集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于：包括光源部分、光路部分、原子气室部分、磁场部分以及信号探测部分；其中，光源部分选用VCSEL激光器(1)，激光频率调谐至旋光角接近最大的波段；光路部分将VCSEL激光器(1)发出的光调整为椭圆偏振光；信号探测部分采用旋光探测方式测量外界磁场大小；

光源部分包括VCSEL激光器(1)和准直透镜(2)；其中，VCSEL激光器(1)的波长与铷原子D1线失谐20-30G，VCSEL激光器(1)发出的光经过准直透镜(2)成为平行光；

光路部分包括线偏振片(3)、1/4波片(4)、第一保偏反射镜(5)和第二保偏反射镜(6)；其中，平行光经过线偏振片(3)、1/4波片(4)后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过第一保偏反射镜(5)后透过原子气室(14)，再经过第二保偏反射镜(6)到达信号探测部分；

原子气室部分包括安装在氮化硼加热壳(11)内的原子气室(14)，原子气室(14)位于亥姆霍兹线圈(13)中心，在氮化硼加热壳(11)上绕无磁高阻加热线(12)，对原子气室(14)进行均匀加热；氮化硼加热壳(11)外面包裹保温海绵，氮化硼加热壳(11)上开有通光孔，用镀膜窗口片(15)封堵该通光孔，以隔绝原子气室(14)与外界的热对流；

磁场部分包括五组亥姆霍兹线圈(13)，每组亥姆霍兹线圈(13)包含两个相互平行的同向方型线圈，其中，沿着X方向有一组用于产生补偿磁场的亥姆霍兹线圈，Y方向和Z方向分别包含两组亥姆霍兹线圈，一组用于产生调制磁场，另一组用于产生补偿磁场；

信号探测部分包括1/2波片(7)、沃拉斯顿棱镜(8)、聚焦透镜(9)和平衡探测器(10)；其中，第二保偏反射镜(6)反射的光经过1/2波片(7)和沃拉斯顿棱镜(8)后，光束分为两束，再通过一个聚焦透镜(9)将两束光聚焦在平衡探测器(10)的两个光电探测器(PD)上，测量旋光角，椭圆偏振光的线偏振成分通过旋光角的改变反映原子自旋极化的变化，进而得到外界磁场的大小；

其中Z方向为标准方型亥姆霍兹线圈，间距是线圈边长的0.5445倍；X和Y方向的亥姆霍兹线圈间距与线圈边长相等；利用补偿线圈将外界磁场补偿为零，调制线圈施加调制磁场，将低频信号调制到高频；

在横向参数调制模式下，原子的自旋极化与外界磁场的关系由Bloch方程给出：

其中δP为原子自旋极化变化，P′₀为稳态极化，γ为原子旋磁比，调制磁场B＝B_msin(ωt)，τ₁为弛豫时间，δB_x、δB_y、δB_z为X、Y、Z三个方向的磁场变化；椭圆偏振光沿着X轴，调制磁场和待测磁场方向为Z轴；由上述公式可知，原子自旋极化变化δP与δB_z呈线性关系，高阶项则包含δB_y、δB_x信息；因此，为了测量Z方向的磁场，需要将δB_y、δB_x方向的磁场调零，消除高阶项；然后，通过检测旋光角的改变即可得到Z方向待测磁场的大小。

2.根据权利要求1所述的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于，原子气室(14)内充有⁸⁷Rb原子，同时充入760Torr氮气作为缓冲和淬灭气体。

3.根据权利要求1所述的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，其特征在于，原子气室(14)上设有用于实时探测气室温度的热电偶。