[发明专利]集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪

说明书

本发明公开了一种集成VCSEL激光器的小型化旋光无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪。为了克服采用光纤传输的小型化SERF磁力仪在实际应用中遇到的问题，本发明采用VCSEL激光器作为光源取代光纤传输，实现了一种集成VCSEL激光器的小型化SERF磁力仪。同时，利用椭圆偏振光旋光探测方式，不仅保证了单光配置光路简单的优势，同时大大减小了VCSEL激光器的频率抖动对磁力仪灵敏度的影响，达到了55fT/Hz^1/2的高灵敏度。利用本发明的SERF磁力仪可以实现人体心脏磁场的测量。

技术领域

本发明属于原子磁力仪技术领域，尤其是涉及一种集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪，可以用来实现心脏微弱磁场的测量。

背景技术

心脏微弱磁场的研究最早开始于1963年，Baule等人首次利用线圈式磁力仪检测到心磁信号。随着超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的发展，Cohen等人在1970年利用SQUID磁力仪检测到心磁信号。随后，心脏微弱磁场的研究引起广泛关注，逐渐发展出基于SQUID磁力仪的心磁图技术，并应用于临床诊断和医学研究中。心磁图可用于心率失常的3D定位、危及生命的心率失常风险评估、QRS时间正常的非缺血性心肌病患者、晚期心脏病的预测、胎儿心率失常特征的检测、冠状动脉疾病的早期诊断和异体移植心脏血管病变的检测等。心磁图最大的优势在于，它是一种非接触、非侵入式、快速检测心脏疾病的方法。因此，对于心磁图的研究，无论是临床诊断还是医学研究，都具有非常重要的意义。

心磁信号十分微弱，成年人的心磁信号振幅最大约在100pT量级，要测到如此微弱的心磁信号，测量设备必须具有很高的灵敏度。长久以来，心磁测量都是依赖于灵敏度可达1fT/Hz^1/2的SQUID磁力仪。但是SQUID磁力仪需要工作在液氦的超低温环境下，维护成本非常昂贵。

近年来，随着激光技术的发展进步，基于激光与原子相互作用的原子磁力仪如雨后春笋般涌现出来，其中最引人关注的便是基于无自旋交换弛豫(Spin ExchangeRelaxation Free,SERF)的原子磁力仪。SERF磁力仪具有高灵敏度、非低温工作条件和易于小型化等特点，非常适合用于心磁信号的测量。目前，小型化SERF磁力仪的光源大多是将激光器发出的激光耦合到保偏光纤中，传输到小型化的SERF磁力仪中，例如杜鹏程(CN111035386 A)等人，利用保偏光纤实现了一种微型SERF磁力仪。但是基于光纤传输的方案在临床应用中面临很多问题，环境振动容易导致光纤抖动，进而改变光纤输出光的功率和偏振，影响磁力仪的灵敏度。而且光纤非常容易折断，在移动过程中很不方便，限制了其使用范围。

VCSEL激光器同DFB激光器、外腔式可调谐半导体激光器相比，体积小很多，非常适合集成到小型化SERF磁力仪中。但是VCSEL激光器的频率抖动要严重的多，线宽经常有100MHz。如果采用小型化SERF磁力仪常用的圆偏振光吸收探测方式，例如李建军(CN111044947 A)等人实现的小型化SERF磁力仪装置，VCSEL激光本身的频率抖动会严重影响磁力仪的灵敏度。我们通过平台实验，采用圆偏振光吸收探测方式，SERF磁力仪的灵敏度在10Hz左右只能达到400fT/Hz^1/2。克服此问题的常用思路是利用SERF磁力仪工作用的充有高压惰性气体的原子气室吸收峰，通过激光锁频电路，稳定VCSEL激光器的频率。但是此方法过程比较繁琐复杂，且实现难度较高，目前只有Quspin公司掌握此项技术(US10243325B2)。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种小巧灵活、高灵敏度的集成VCSEL激光器的小型化旋光SERF磁力仪。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：