[发明专利]基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法

说明书

本发明提供一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法，通过在测量系统中引入数字微镜阵列DMD，通过调整DMD微镜反射区域使探测光通过各测量点，调整驱动磁场的频率使测量点处原子发生核磁共振，进而得到小范围内静磁场的空间分布，测量方法和光路结构简单，磁场灵敏度和空间分辨率较高。

技术领域

本发明属于磁场测量技术领域，特别涉及一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法。

背景技术

随着量子领域技术的发展，基于原子自旋的磁场测量是当今科技发展的一个重要领域。现有的磁通门、超导磁力仪等磁传感器技术难以进行小尺度空间的磁场测量。

利用原子自旋测量磁场梯度在灵敏度和空间分辨率上极具优势，已成为小尺度空间磁场测量的一种可行有效的方法，并在生物磁显微、量子仪表制造等领域具有广泛的应用价值，但现有原子自旋测量方法不能实现微米量级上磁场信息的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统及方法，通过在测量系统中引入数字微镜阵列DMD，通过调整DMD微镜反射区域使探测光通过各测量点，调整驱动磁场的频率使测量点处原子发生核磁共振，进而得到小范围内静磁场的空间分布，测量方法和光路结构简单，磁场灵敏度和空间分辨率较高。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字微镜阵列的小尺度空间磁场梯度测量系统，包括探测光路、泵浦光路、原子气室、温度和磁场控制系统和信号采集处理系统；

探测光路包括探测光发生组件、数字微镜阵列DMD和探测光分光装置；数字微镜阵列DMD将探测光发生组件发出的线偏振态探测光反射至原子气室内部各测量点，携带各测量点磁场信息的探测光通过探测光分光装置后传输至信号采集处理系统；

泵浦光路用于产生泵浦光并传输至原子气室；

原子气室内原子在泵浦光作用下发生极化，并在待测磁场、温度和磁场控制系统的作用下产生核磁共振，使原子自旋的宏观磁矩进行Larmor进动；

温度和磁场控制系统用于激发和保持原子气室内的原子的Larmor进动，并根据信号采集处理系统得到参数信息调整驱动磁场频率，进而调整原子进动状态；

信号采集处理系统接收由探测光路输入的各监测点产生的探测光，得到反应原子进动状态的参数信息；根据所述参数信息得到各位置磁场信息。

进一步的，探测光发生组件包括探测光激光器、第一偏振片、第一透镜和λ/2波片；

所述探测光激光器用于发出探测光，探测光波长为原子气室中碱金属原子D2线跃迁频率对应的波长；探测光依次经第一偏振片变为线偏振光、经第一透镜使光斑直径放大至能覆盖原子气室、经λ/2波片调整偏振方向。

进一步的，探测光分光装置为偏振分束器，用于将携带各测量点磁场信息的探测光分为两路偏振方向相互垂直的线偏振光，同时结合λ/2波片调整所述线偏振光光强度相等。

进一步的，探测光路还包括位于数字微镜阵列DMD和原子气室之间的第二透镜，以及位于原子气室和探测光分光装置之间的第三透镜，用于消除探测光在传输过程中发生的衍射。

进一步的，温度和磁场控制系统包括磁屏蔽装置、驱动磁场线圈和加热体，所述加热体设于原子气室的外围，用于维持原子气室温度；所述加热体包括金属壳体、包裹金属壳体的柔性加热片，以及设于金属壳体内部的热敏电阻，所述热敏电阻用于实现温度的实时测量；

驱动磁场线圈设于所述加热体外围，用于产生驱动磁场；磁屏蔽装置设于驱动磁场线圈外围，用于屏蔽外部干扰磁场。