[发明专利]一种新型全光学原子磁强计实现装置

说明书

本发明公开了一种新型全光学原子磁强计实现装置，分布式反馈半导体激光器产生的单色线偏光经光斑整形器整理成圆形光斑后入射电光调制器，电光调制器由微波源、信号发生器、微波开关、功率放大器组成的分时调制系统驱动。从电光调制器出射的光束被扩束器调节至所需的光斑大小。光束在依次经过偏振片、四分之一波片、衰减片后转化为偏振性能和强度合适的原子气室入射光。原子气室出射光被偏振分光棱镜分裂为第一待测线偏光和第二待测线偏光，分别被第一探测器和第二探测器探测。本发明结构简单、测磁灵敏度高，使用单光束结构就可实现高灵敏度的全光学磁传感器，所有器件均可利用芯片级的器件代替，适合开发芯片级的原子磁传感器。

技术领域

本发明技术涉及磁计量领域，尤其涉及一种新型全光学原子磁强计实现装置。

背景技术

原子磁强计是一种精密的磁场测量仪器，具有磁场测量灵敏度高的优点，在空间磁场测量、矿产资源探测、军事反潜、生物磁成像等领域都获得了广泛的应用。

工作于地磁场的原子磁强计一般通过激发磁场中原子的顺磁共振来测量磁场。常用的激发顺磁共振的方法有两种，一种是使用沿磁场方向的圆偏振抽运光将原子极化，沿垂直于待测磁场的方向上施加作用与原子的频率等于原子拉莫尔进动频率的射频场来实现顺磁共振，称为射频-光双共振磁强计；另一种是以原子的拉莫尔进动频率对抽运光进行幅度、频率或偏振调制来实现顺磁共振，称为Bell-Bloom磁强计。以抽运光调制技术实现的Bell-Bloom磁强计由于不需要为探头提供射频场，具有多探头之间相互干扰小、易于形成阵列的优点，获得关注和研究。

原子磁强计一般通过与原子光学跃迁共振的圆偏振光的吸收信号来探测原子极化来获得顺磁共振，或通过与原子光学跃迁失谐的线偏振光法拉第旋转来探测顺磁共振，其中法拉第旋转探测由于能够有效消除背景光及抑制激光噪声，因此人们常常采用法拉第旋转探测技术来研制高灵敏度原子磁强计。经典的法拉第旋转探测方案抽运光束与探测光束相互正交（简称“正交光路方案”）。正交光路方案一般采用两激光器产生所需的抽运光和探测光，因此激光参数可单独调节，磁强计易于获得高质量磁敏感信号。但是正交光路使得磁强计体积较大。

在实际应用中小型磁强计有很大需求量，因此小型化磁强计实现方案是一个重要研究方向。作为正交光路方案的一种优化，将圆偏光和线偏光成小角度从原子气室同一侧入射也是一种可行的方案（简称“近共束方案”）。近共束方案已经被用于Bell-Bloom磁强计，例如：被调制的圆偏光将原子极化后，线偏光以小角度与圆偏光在原子气室内交叉重合，单独探测线偏光的法拉第旋转获得磁敏感信号。近共束方案或进一步的共束方案取消了抽运光和探测光垂直入射原子气室的结构，因此其探头结构相较于正交光路方案获得了简化，探头体积也有所减小，但是双激光器的使用仍然增加了探头的体积、功耗、成本，限制了其小型化的潜力。

本发明提出一种抽运和法拉第旋转探测分时进行的Bell-Bloom磁强计方案（简称“分时抽运探测方案”）。以原子在磁场中的拉莫尔进动频率为基准，对激光进行周期性的频率或幅度调制，例如用信号发生器控制微波开关，来接通或断开微波，从而产生周期调制，使激光在多色光和单色光之间来回切换，与原子拉莫尔进动频率同步的抽运脉冲将驱动磁矩产生磁光共振。在多色光期间，与原子基态两超精细能级跃迁共振的正负一阶边带抽运原子产生极化；而在单色期间，与跃迁线保持一定失谐的线偏光在经过法拉第旋转后被差分探测。由于单色基频光与原子基态两超精细能级对称失谐，因此两跃迁线贡献的法拉第旋转角将以信号叠加的形式被提取。本方案使用一个四分之一波片将激光器产生的线偏光转化为椭圆偏振光，椭圆偏振光中线偏光分量和圆偏光分量各占一半，其中圆偏光分量用于在多色光期间将原子极化，线偏光分量用于在单色光期间探测法拉第旋转。所有圆偏光和未旋转的线偏光将以差分的方式等量抵消，理想的差分信号将只保留线偏光的法拉第旋转信息。

单束分时抽运探测方案仅使用单个激光器提供单束光就实现了相干抽运和法拉第旋转探测，它不仅具有正交光路方案相当的噪声抑制能力，在小型化、芯片化方面具有潜力。

发明内容