一种全光纤磁强计装置

摘要

本发明公开了一种全光纤磁强计装置，包括：抽光纤气室模块，抽运光模块和检测光模块三部分组成，所有光学元件为光纤器件。光纤气室模块包含为空芯光纤碱金属气室、电加热模块和磁屏蔽模块组成。空芯光纤碱金属气室通过在空芯光纤内充有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体实现；空芯光纤碱金属气室检测光路。电加热模块用来调节光纤气室工作温度，磁屏蔽用来屏蔽和补偿环境磁场。抽运光模块由抽运激光器、圆起偏器和隔离器组成并产生圆偏振抽运光，用来极化光纤气室内原子系综。根据本发明，能够实现微弱磁场测量，光学器件采用全光纤器件，具有精度和灵敏度高，稳定性强，空间分辨率高，体积小和重量轻。

说明书

技术领域

本发明涉及弱磁场检测的技术领域，特别涉及一种全光纤磁强计装置。

背景技术

磁场测量技术在军事国防，医学，资源勘探，生活(经济民生)等多个领域广泛应用，发挥着重要的作用目前磁强计发展迅速，以塞曼效应为基础，通过测量原子自旋进动实现对微弱磁场的测量。这种磁强计相对于之前应用广泛的超导量子干涉仪解决了其需要庞大的杜瓦瓶维持低温而造成的成本高的问题。并且灵敏度高，目前实验室灵敏度可以达到0.54fT。其原理是：一束圆偏振激光照射混有气态K原子和He原子的原子气室，K原子最外层有一个未配对的电子会吸收圆偏振激光的能量，进入原子自旋极化状态。此时，再用一束探测激光射入原子气室，其偏振角发生转动且转动的角度取决于电子自旋与探测激光的角度。近几年来，不断有科学家对原子磁力仪进行深入研究，给原子磁力仪带来源源不断的新的研究方法和成果。以普林斯顿大学和华盛顿大学为首的教授团队实现了0.54fT/√HZ的灵敏度，达到目前世界最高灵敏度。在国内，同样有着深入的研究成果。北京航空航天大学课题组有着目前为止国内最高灵敏度的磁强计，实现了单通道灵敏度为8fT/√HZ。原子磁力仪目前多应用于心脑磁，航空导航，火山地质测量，水下潜艇等多个领域中。

目前有多种测量方法测量原子自旋进动信号，通常采用的是线偏振光的检测法：用圆偏振激光抽运碱金属原子，使原子进入自旋极化状态，当外界有磁场时原子会发生与磁场成比例的原子进动。因此会对入射的线偏振光旋转其偏振角，通过测量偏振角可以测出原子自旋进动信号。这种方法对光源和环境的稳定性要求高，限制了精度的提高。金属原子气室同样对左右圆偏振光具有延迟的效果。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种全光纤磁强计装置，能够实现微弱磁场测量，光学器件采用全光纤器件，具有精度和灵敏度高，稳定性强，空间分辨率高，体积小和重量轻。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种全光纤磁强计装置，包括：

光电耦合器，所述光电耦合器上连接有检测光模块、光纤气室模块及抽运光模块；

所述光纤气室模块包括光纤碱金属气室、设置于光纤外的加热装置、包裹所述加热装置的磁屏蔽件及设置于所述光纤碱金属气室一侧的光线反射镜；

所述抽运光模块包括抽运光源、与所述抽运光源通过保偏光纤连接的圆起偏器及与所述圆起偏器通过保偏光纤连接的圆隔离器；

所述检测光模块包括检测光源、与所述检测光源通过单模光纤连接的环形器、与所述环形器通过单模光纤连接的的起偏器、与所述起偏器通过保偏光纤熔接的相位调制器、与所述环形器通过光纤连接的探测器、与所述探测器通过电缆连接的锁相放大器，所述锁相放大器与相位调制器通过电缆连接；

所述检测光模块还包括光纤延迟线、滤波器及1/4波片，所述光纤延迟线将锁相放大器与滤波器相连。

优选的，所述光纤碱金属气室通过空芯光纤内充入碱金属原子、惰性气体和缓冲气体，且所述空芯光纤两端与保偏光纤进行熔接。

优选的，所述抽运光源通过圆起偏器变成圆振偏光，通过光纤光路进入原子光纤碱金属气室，使原子进入自旋极化状态。

优选的，所述抽运光源为宽谱或窄线宽光源，波长偏离光纤气室中原子吸收谱线，且所述圆起偏器包括起偏器与1/4波片，用于将线偏振光变成圆偏振光。

优选的，所述起偏器与相位调制器通过保偏光纤熔接，熔接点为p，熔接的两段保偏光纤偏振轴成两段薄片尾纤为45度角。

优选的，所述锁相放大器接受探测器输出的光电信号，并且锁相放大器输出与原子自旋进动成正比例的电信号，同时锁相放大器输出调制信号给相位调制器。

优选的，经过光纤延迟线的两束偏振光经过1/4波片，变成两束圆偏振光进入光纤气室，产生相位差，通过光纤反射镜原路返回，再次经过原子光纤碱金属气室，相位差加倍，通过1/4波片变为两束线偏振光进入光纤延迟线中。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)采用全光纤光路，使用全光纤器件，大大缩减装置的体积，抗干扰能力强，具有空间分辨率高，重量轻的特点，便于集成。

(2)本发明装置采用光纤Sagnac干涉仪结构。使用了互易光路，抗外界干扰能力强，稳定性高；使用了相位检测系统测量光相位，可以有效排除外界光强的影响。

(3)本发明装置以K金属原子磁强计为基础，灵敏度高，精度高，成本低，可以检测微弱磁场。

附图说明

图1为根据本发明的全光纤磁强计装置的结构示意图。

图中：1:检测光模块；2:光电耦合器；3:光纤气室模块；4:抽运光模块；10:信号输出；11:检测光源；12:环形器；13:起偏器；14:相位调制器；15:探测器；16:锁相放大器；17:光纤延迟线；18:1/4波片；19:滤波器；33:光纤碱金属气室；34:光纤反射镜；35:磁屏蔽件；36:光纤加热装置；41:抽运光源；42:圆起偏器；43:隔离器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种全光纤磁强计装置，包括：光电耦合器2，所述光电耦合器2上连接有检测光模块1、光纤气室模块3及抽运光模块4；

所述光纤气室模块3包括光纤碱金属气室33、设置于光纤外的加热装置36、包裹所述加热装置36的磁屏蔽件35及设置于所述光纤碱金属气室33一侧的光线反射镜34，加热装置36用来调节光纤气室工作温度，磁屏蔽件35用来屏蔽和补偿环境磁场。光纤反射镜34将检测光原路反射回去，形成互易电路。

所述抽运光模块4包括抽运光源41、与所述抽运光源41通过保偏光纤连接的圆起偏器42及与所述圆起偏器42通过保偏光纤连接的圆隔离器43；

所述检测光模块1包括检测光源11、与所述检测光源11通过单模光纤连接的环形器12、与所述环形器12通过单模光纤连接的的起偏器13、与所述起偏器13通过保偏光纤熔接的相位调制器14、与所述环形器12通过光纤连接的探测器15、与所述探测器15通过电缆连接的锁相放大器16，所述锁相放大器16与相位调制器14通过电缆连接；

所述检测光模块1还包括光纤延迟线17、滤波器19及1/4波片18，所述光纤延迟线17将锁相放大器16与滤波器19相连。

进一步的，所述光纤碱金属气室33通过空芯光纤内充入碱金属原子、惰性气体和缓冲气体，且所述空芯光纤两端与保偏光纤进行熔接。

进一步的，所述抽运光源41通过圆起偏器42变成圆振偏光，通过光纤光路进入原子光纤碱金属气室33，使原子进入自旋极化状态。

进一步的，所述抽运光源41为宽谱或窄线宽光源，波长偏离光纤气室中原子吸收谱线，且所述圆起偏器42包括起偏器与1/4波片，用于将线偏振光变成圆偏振光。

所述光源应为窄线激光源，其波长偏离光纤气室中原子吸收谱线0.2nm到0.5nm，对于K原子应为K原子塞曼能级D1或者D2能产生共振的770nm或767nm波长的激光器，其中检测光模块1采用光纤Sagnac干涉仪结构，利用窄线宽激光器产生线偏振检测光。当待测磁场输入装置，光纤碱金属气室33内的原子产生Larmor自旋进动信号，利用基于圆偏探测光的原子自旋进动检测方法获得原子自旋进动信号，实现了对磁场的测量。

进一步的，所述起偏器13与相位调制器14通过保偏光纤熔接，熔接点为p，熔接的两段保偏光纤偏振轴成两段薄片尾纤为45度角。

进一步的，所述锁相放大器16接受探测器15输出的光电信号，并且锁相放大器16输出与原子自旋进动成正比例的电信号，同时锁相放大器16输出调制信号给相位调制器14。

进一步的，经过光纤延迟线17的两束偏振光经过1/4波片19，变成两束圆偏振光进入光纤气室33，产生相位差，通过光纤反射镜34原路返回，再次经过原子光纤碱金属气室33，相位差加倍，通过1/4波片18变为两束线偏振光进入光纤延迟线16中。

工作原理：

(1)：抽运光源41发出光束通过圆起偏器42转换为圆偏振光1；

(2)：圆偏振光1进入光纤气室33极化光纤气室内原子系综自旋方向；

(3)：当待测磁场输入装置，光纤气室33内的原子产生Larmor自旋进动信号；

(4)：检测光源11产生光束经过起偏器13转换为偏振光；

(5)：偏振光经过45°熔点产生偏振态正交的两束线偏振光，为检测光1和检测光2；

(6):检测光1和检测光2经过1/4波片18形成左右圆偏振光；

(7):检测光1和检测光2进入处于待测磁场中的光纤气室33产生非互易相位差φ；

(8)：经过光纤反射镜原路返回，再次经过待测磁场的光纤气室33，再次产生相位差φ，使得总相位差加倍为2φ，并形成互易光路，大大提高了抗干扰能力；

(9)：2束圆偏振光经过1/4波片18转换为线偏振光；

(10)检测光1和检测光2通过45°熔点进入单模光纤后发生干涉，通过相干检测技术检测出2束检测光光的相位差2φ；

(11)根据公式

Iω＝KI

φ＝2πvl*(n+(v)-n-(v))/c＝lcr

其中φ为相位差，l为光纤气室长度，c为光速,r

(12)：根据P

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。