[发明专利]一种多通道原子磁场测量装置

说明书

本发明公开一种基于涡旋波片的多通道原子磁场测量装置，主要是利用线偏振光束经过涡旋波片后产生的径向线偏振光，对沿光束直径对称分布的一对原子气室进行空间分离的自旋极化和检测，本发明多通道原子磁场测量装置结构精简；在不增加激光光源和探测器的前提下实现了双通道的原子磁梯度测量，保持两通道的共模一致性，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁异常测量灵敏度。

技术领域

本发明属于一种磁场测量装置，具体涉及一种多通道原子磁场测量装置。

背景技术

运动的电荷会产生磁场，在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。铁磁物质会使其附近的地磁场出现异常变化，磁异常变化情况与铁磁目标的形状和材料组分有关。由于磁场的传播受介质影响较小，因此磁场测量被广泛应用于医疗诊断、矿产勘探、地磁导航、目标探测等领域。

碱金属原子(如钾、铷、铯)自旋在磁场中会产生磁共振效应，共振频率与磁场幅度成正比，原子自旋共振信号可以通过激光读出，利用该原理可以构建原子磁力仪，实现高灵敏的磁场测量。由于碱金属原子系综容易受到光、磁、热、震动等外界环境影响，单个原子磁力测量单元极易受到外部环境干扰，难以发挥最大测量潜力。

多通道原子磁场测量是提高原子磁探测灵敏度和抗干扰能力的有效解决途径。目前已有的多通道原子磁场测量装置普遍通过光路分束实现，需要使用大量分束和矫正光学元件，引入不可控的变量多、系统结构复杂且成本高昂。

涡旋波片通过控制液晶聚合物的排布结构，可以将不同偏振态的入射光转换成矢量偏振光束或具有轨道角动量的涡旋光束。假设入射激光为线偏振态，当激光偏振方向与涡旋波片0°快轴平行时，经过涡旋波片后的，出射光为径向线偏振光；当激光偏振方向与涡旋波片0°快轴垂直时，经过涡旋波片后的，出射光为角向线偏振光。同时，涡旋波片还会改变入射光斑的能量分布，将标准的TEM00模的高斯光的光强分布转换成“空心孔型”拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)光束的光强分布。基于以上特性，涡旋波片已经成功应用在量子操控、光场调控、大气光通信、超分辨率成像、光镊、精密激光加工等领域。

发明内容

本发明提供一种利用涡旋波片实现多通道原子磁场测量的装置，具体方案如下：

一种多通道原子磁场测量装置，包括激光发生组件、涡旋波片、原子气室模组E、原子气室模组F、偏振分光镜、第一检测组件、第二检测组件以及信号处理模块；所述激光发生组件用于发射主光束，主光束供后续原子极化和自旋探测使用；所述涡旋波片设置在主光束的光路上，使得透过涡旋波片的光束为径向线偏振光；所述偏振分光镜用于将经过原子气室模组E的工作光束分为第一探测光束C和第二探测光束D；第一检测组件设置在第一探测光束C的光路上，用于对第一探测光束C进行检测；所述第二检测组件设置在经过原子气室模组F的工作光束的光路上，用于对第二探测光束D经过原子气室模组F后的光束进行检测；所述原子气室模组E、原子气室模组F、第一检测组件以及第二检测组件均与信号处理模块连接。

本发明中可选的，激光发生组件包括激光器控制器、激光器、分束镜、第一反射镜、第二反射镜以及第一二分之一波片；所述激光器用于发射线偏振激光；分束镜用于将激光器发射的线偏振激光分为参考光束A和工作光束B；激光器控制器设置在参考光束A的光路上且与激光器连接，用于稳定激光器的光功率和频率；第一反射镜、第二反射镜以及第一二分之一波片顺次设置在工作光束B的光路上，所述第一反射镜和第二反射镜用于调整工作光束B的行进方向，所述第一二分之一波片用于调整线偏振激光(即工作光束B)与涡旋波片0°快轴之间的夹角。

本发明可选的，所述涡旋波片和所述原子气室模组E之间顺次设有扩束镜和第一四分之一波片，所述扩束镜用于调整经过涡旋波片的激光光束的光斑尺寸，所述第一四分之一波片用于将入射到原子气室模组E的激光调整为长轴沿径向的椭圆偏振激光。