CN109613456A - 一种全光学原子磁强计及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于脑磁测量技术领域，提供了一种全光学原子磁强计及方法，包括：驱动光路模块，用于提供驱动光波；检测光路模块，用于提供检测光波；原子气室模块，用于施加标定磁场；光电转换模块；用于输出环境磁场参数。借此，本发明采用两束垂直正交激光，无需磁场调制，避免多通道磁场交叉耦合缺陷。另一方面，比单光束磁场调制方案，增加一束激光，光学操控手段丰富，有利于提高原子磁强计的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及脑磁测量技术领域，尤其涉及一种全光学原子磁强计及方法。
背景技术
原子磁强计是一种无需使用液氦就能测量极微弱磁场的传感器，在最近十几年中得到了快速发展，成为新一代脑磁图的理想磁敏感器件。由于脑磁信号大部分处于低频段，需要提高原子磁强计低频检测能力，一般采用磁场调制来抑制1/f噪声，但随着脑磁图通道数增加，基于磁场调制的原子磁强计在构建脑磁图时，存在多通道磁场交叉耦合，影响脑磁测量结果。因此，需要一种可以避免多通道磁场交叉耦合缺陷的原子磁强计。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种全光学原子磁强计全光学原子磁强计及方法，其采用两束垂直正交激光，无需磁场调制，避免多通道磁场交叉耦合缺陷。另一方面，比单光束磁场调制方案，增加一束激光，光学操控手段丰富，有利于提高原子磁强计的灵敏度。
为了实现上述目的，本发明提供一种全光学原子磁强计，包括：
驱动光路模块，用于提供驱动光波；
检测光路模块，用于提供检测光波；
原子气室模块，用于施加标定磁场；
光电转换模块；用于输出环境磁场参数。
根据本发明的全光学原子磁强计，所述驱动光路模块设于yz平面上，其包括驱动光源、准直镜、起偏器、1/4棱镜和反射镜，且所述驱动光源位于准直镜焦点上，光束由准直镜转化为准直平行光后沿z轴依次通过所述起偏器及1/4棱镜，转化为圆偏振光并由所述反射镜反射至y轴通过原子气室。
根据本发明的全光学原子磁强计，所述检测光路模块设于xz平面上，且与所述驱动光路模块在原子气室处相交。
根据本发明的全光学原子磁强计，所述检测光路模块包括检测光源、准直镜、起偏器、反射镜、1/2棱镜及偏振分光棱镜；
所述检测光源位于准直镜焦点，光束由准直镜转化为准直平行光后沿z轴通过起偏器转化为线偏振光并由反射镜反射至x轴通过原子气室，通过反射镜反射至z轴通过1/2棱镜将偏振方向旋转45°后入射偏振分光棱镜。
根据本发明的全光学原子磁强计，所述原子气室模块包括原子气室及加热组件。
根据本发明的全光学原子磁强计，所述光电转换模块包括两光电探测器及前置放大器；
所述两光电探测器分别接收出射偏振分光棱镜的两束光，构成平衡探测器，所述前置放大器接收平衡探测器输出的光电流，差分放大后作为磁强计输出。
本发明采用上述结构有如下有益效果：采用两束垂直正交激光，无需磁场调制，避免多通道磁场交叉耦合缺陷。另一方面，比单光束磁场调制方案，增加一束激光，光学操控手段丰富，有利于提高原子磁强计的灵敏度。
附图说明
图1为全光学原子磁强计xz平面示意图；
图2为全光学原子磁强计yz平面示意图；
其中：1、检测光源，2、准直镜，3、起偏器，4、1/4棱镜，5、反射镜，6、原子气室，7、1/2棱镜，8、偏振分光棱镜，9、光电探测器，10、前置放大器，11、磁强计输出，12、驱动光源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1和图2，本发明提供了一种一种全光学原子磁强计，其包括：
驱动光路模块，用于提供驱动光波；
检测光路模块，用于提供检测光波；
原子气室模块，用于施加标定磁场；
光电转换模块；用于输出环境磁场参数。
具体的，驱动光路模块处在yz平面上，包括驱动光源12、准直镜2、起偏器3、1/4棱镜4、反射镜5。驱动光源12位于准直镜2焦点上，光源发出对应碱金属原子D1线波长的光束，光束由准直镜2转化为准直平行光后沿z轴依次通过起偏器3、1/4棱镜4，转化为圆偏振光并由反射镜5反射至y轴通过原子气室6，实现原子自旋的极化。
检测光路模块处在xz平面上，与驱动光路模块在原子气室6处相交，包括检测光源1、准直镜2、起偏器3、反射镜5、1/2棱镜7、偏振分光棱镜8。检测光源1位于准直镜2焦点，光源发出对应碱金属原子D1线失谐0.1nm波长的光束，光束由准直镜2转化为准直平行光后沿z轴通过起偏器3转化为线偏振光并由反射镜5反射至x轴入射原子气室6。原子自旋与线偏振检测光相互作用使其偏振方向发生偏转，偏转角包含磁场信息。出射光通过反射镜5反射至z轴通过1/2棱镜7将偏振方向旋转45°后入射偏振分光棱镜8，环境磁场将改变偏振分光棱镜8出射光功率。
原子气室模块包括原子气室6、加热组件。其中原子气室6内充入敏感磁场的碱金属原子和适量缓冲气体分子以抑制气室壁碰撞弛豫。电加热组件为原子气室6加热，提高碱金属原子密度的同时抑制自旋交换碰撞弛豫。
光电转换模块包括光电探测器9、前置放大器10。两光电探测器9分别接收出射偏振分光棱镜8的两束光，构成平衡探测器。前置放大器10接收平衡探测器输出的光电流，差分放大后作为磁场测量输出。
全光学原子磁强计具体工作方式为：开启驱动光源12、检测光源1、原子气室6加热；扫描驱动光波长，将驱动光波长锁定在吸收峰位置；扫描检测光波长，将检测光波长锁定在吸收峰位置失谐0.1nm；向全光学原子磁强计施加标定磁场，在90℃-160℃范围内每隔5℃调节原子气室6温度，并扫描驱动光光强使前置放大器10输出最大，得到磁强计具体工作参数；撤去标定磁场，基于上述标定系数由前置放大器10得到磁强计11输出推算环境磁场，实现磁场测量。
综上所述，本发明提供了一种全光学原子磁强计，包括：驱动光路模块，用于提供驱动光波；检测光路模块，用于提供检测光波；原子气室模块，用于施加标定磁场；光电转换模块；用于输出环境磁场参数。借此，本发明采用两束垂直正交激光，无需磁场调制，避免多通道磁场交叉耦合缺陷。另一方面，比单光束磁场调制方案，增加一束激光，光学操控手段丰富，有利于提高原子磁强计的灵敏度。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种全光学原子磁强计，其特征在于，包括：
驱动光路模块，用于提供驱动光波；
检测光路模块，用于提供检测光波；
原子气室模块，用于施加标定磁场；
光电转换模块；用于输出环境磁场参数。
2.根据权利要求1所述的全光学原子磁强计，其特征在于，所述驱动光路模块设于yz平面上，其包括驱动光源、准直镜、起偏器、1/4棱镜和反射镜，且所述驱动光源位于准直镜焦点上，光束由准直镜转化为准直平行光后沿z轴依次通过所述起偏器及1/4棱镜，转化为圆偏振光并由所述反射镜反射至y轴通过原子气室。
3.根据权利要求1所述的全光学原子磁强计，其特征在于，所述检测光路模块设于xz平面上，且与所述驱动光路模块在原子气室处相交。
4.根据权利要求3所述的全光学原子磁强计，其特征在于，所述检测光路模块包括检测光源、准直镜、起偏器、反射镜、1/2棱镜及偏振分光棱镜；
所述检测光源位于准直镜焦点，光束由准直镜转化为准直平行光后沿z轴通过起偏器转化为线偏振光并由反射镜反射至x轴通过原子气室，通过反射镜反射至z轴通过1/2棱镜将偏振方向旋转45°后入射偏振分光棱镜。
5.根据权利要求权利要求1～4任一项所述的全光学原子磁强计，其特征在于，所述原子气室模块包括原子气室及加热组件。
6.根据权利要求1所述的全光学原子磁强计，其特征在于，所述光电转换模块包括两光电探测器及前置放大器；
所述两光电探测器分别接收出射偏振分光棱镜的两束光，构成平衡探测器，所述前置放大器接收平衡探测器输出的光电流，差分放大后作为磁强计输出。
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