一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统

摘要

本发明涉及一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，包括原子蒸气室、偏振偏转器、圆偏振泵浦光源、柱矢量探测光源、内层空心腔、内光电探测器阵列、外层空心腔、外光电探测器阵列、信号分析处理模块，其中：圆偏振泵浦光源出射泵浦光束，通过偏振偏转器后光束传播方向改变，入射到原子蒸气室内发生多次反射产生动态原子蒸气泵浦；柱矢量探测光源出射光束经偏振偏转器后径向与角向分量比例发生改变，入射到原子蒸气室内多次反射后部分透射；透射光束被内光电探测器阵列和外光电探测器阵列接收得到精细空间分布信息，经信号分析处理模块分析后实现高空间分辨率磁场传感检测。本发明具有体积小、空间全方向测量、灵敏度高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，特别是一种用于磁导航、无损检测、防伪技术、刑侦、脑科学、生命医疗、疾病诊疗、心理学、智慧感知、资源勘查、海洋工程、量子传感等领域中的高灵敏度磁场检测。

背景技术

磁场检测系统指的是包含仪器在内的各种用于测量磁场的仪器、系统，也可以称为磁力仪、高斯计，在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉，地球科学上常用纳特(nT)来作为测量单位，工程上常用单位则是高斯。磁场检测广泛应用于生物医学、地质调查、资源勘查、地震预测、工业领域、导航定位、材料分析、海洋工程、量子传感、脑磁心磁等领域，随着检测要求的提高，对磁力检测性能需求也越发紧迫。例如在脑磁图(Magnetoencephalography，简称MEG)检测领域，脑磁图检测装置是一种对人体完全无创性、无放射性的脑功能图像探测技术，在脑科学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织等领域中发挥非常重要的作用，磁场检测得到的脑磁图可以应用到癫痫诊断和致痫灶的手术前定位、神经外科手术前大脑功能区定位、缺血性脑血管病预测和诊断、精神病和心理障碍疾病的诊断、外伤后大脑功能的评估和鉴定、司法鉴定和测谎应用、语言、视觉、听觉、体感诱发等的研究，高性能磁场检测系统具有重要的研究意义和广泛应用价值。

在先技术中，存在磁场检测方法，包括已经商品化的总部在瑞典的跨国公司Elekta公司的生产Elekta Neuromag TRIUX型号脑磁图仪；总部在美国的Tristan公司生产的MagView型号脑磁图仪。在先技术参见美国专利，专利名称为high-reslutionmagenetoencephalography system,components and methods,专利号为US2142453B3，专利授权时间为2002年4月32日。在先技术具有相当的优点，但是存在一些本质不足：1)检测磁场装置所基于的原理为超导量子干涉器件检测磁场，以磁通量量子化和约瑟夫森隧穿效应两种物理现象为检测原理，必需低温制冷系统，通常采用液氮或液氦制冷，系统结构复杂；2)检测装置检测灵敏度受限于检测原理和系统构建复杂度，针对脑磁图检测的灵活性差；3)装置体积大，无法实现小型化，构建成本高，检测磁场空间分辨率有限，影响使用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，该系统具有结构简单、体积小、柱矢量光场全方向检测、灵敏度高、空间多点测量、无需低温制冷系统、便于实现、检测信息量大、动态泵浦、灵活性好、可拓展性好等特点。

本发明的技术方案是：一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，包括原子蒸气室、偏振偏转器、圆偏振泵浦光源、柱矢量探测光源、内层空心腔、内光电探测器阵列、外层空心腔、外光电探测器阵列、信号分析处理模块；所述原子蒸气室为双包层空芯光子晶体光纤的中央空心腔；双包层光子晶体光纤的内层空心腔内设有内光电探测器阵列，外层空心腔内设有外光电探测器阵列，内光电探测器阵列和外光电探测器阵列连接信号分析处理模块；所述原子蒸气室端面外设有偏振偏转器、圆偏振泵浦光源，柱矢量探测光源；圆偏振泵浦光源出射泵浦光束，经过偏振偏转器后光束传播方向发生改变，光束入射到原子蒸气室腔内发生多次反射，产生动态原子蒸气泵浦；柱矢量探测光束出射的光束经过偏振偏转器调制后径向分量与角向分量的组成比例发生改变，探测光束入射到原子蒸气室1腔内发生多次反射后部分透射出去；透射光束被内光电探测器阵列和外光电探测器阵列接收得到精细空间分布信息，通过信号分析处理模块分析后实现高空间分辨率磁场检测和传感。

作为对本发明的限定：所述原子蒸气室为双包层空芯光子晶体光纤的中央空心腔，采用背景材料为纯二氧化硅的圆柱形微腔结构。

作为对本发明的限定：所述的原子蒸气室为碱金属原子蒸气室且腔内的碱金属原子蒸气采用碱金属中的铷原子蒸气。

作为对本发明的限定：所述的柱矢量探测光源为柱矢量光。

作为对本发明的限定：所述偏振偏转器为光谱分光镜振镜，对圆偏振泵浦光源出射光束的反射率为99％，对柱矢量探测光源出射探测光束的透射率为99％，偏振偏转器可改变柱矢量探测光径向分量和角向分量的组成比例。

作为对本发明的限定：所述的内光电探测器阵列位于内层空心腔中，所述的外光电探测器阵列位于外层空心腔中，内光电探测器阵列和外光电探测器阵列为二维光电探测器阵列，二维光电探测器阵列为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。

作为对本发明的限定：所述内层空心腔和外层空心腔分别为双包层空芯光子晶体光纤的内包层空气孔和外包层空气孔且具有严格的周期性对称结构，六个内层空心腔和六个外层空心腔分别以中央空心腔为中心呈正六边形周期结构。

作为对本发明的限定：一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，其完整检测过程为：

圆偏振泵浦光源采用圆偏振泵浦光束作为泵浦光，圆偏振泵浦光束出射光路上设置有偏振偏转器，圆偏振泵浦光束经过偏振偏转器后光束传播方向发生改变，圆偏振泵浦光束从原子蒸气室端面入射后，由于光子晶体光纤的带隙导光机制，光束在原子蒸气室内会发生布拉格衍射从而产生非全内反射，进而与原子蒸气室内的铷原子蒸气发生反应实现动态原子蒸气泵浦；柱矢量探测光源采用柱矢量光作为探测光，出射探测光束从原子蒸气室端面入射，在入射在原子蒸气室端面之前，光路经过偏振偏转器；在偏振偏转器光学作用面上，调整并记录柱矢量探测光束径向分量和角向分量的组成比例；柱矢量探测光束在原子蒸气室的腔内与极化的铷原子蒸气作用后发生多次反射，每次经过原子蒸气室内壁时，有部分探测光发生透射；发生透射后的柱矢量探测光束被位于内层空心腔内的内光电探测器阵列和位于外层空心腔内的外光电探测器阵列接收后，内光电探测器阵列和外光电探测器阵列将探测到的空间差异性的光电分布信息传递给信号分析处理模块，信号分析处理模块将接收到的阵列信号与偏振偏转器上记录的出射柱矢量探测光束的信息进行数据对比分析后，实现高空间分辨率磁场检测。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在先技术检测磁场装置所基于的原理为超导量子干涉器件检测磁场，以磁通量量子化和约瑟夫森隧穿效应两种物理现象为检测原理，必需低温制冷系统，通常采用液氮或液氦制冷，系统结构复杂。本发明基于原子磁力检测原理和空芯光子晶体光纤带隙导光原理，构建原子蒸气室，利用光与原子蒸气相互作用，实现磁场检测，不存在超导器件，具有方法简单和无需低温制冷系统的特点；

2)在先技术装置体积大，无法实现小型化，需要在反应腔内镀高反射膜或放置高反射微透镜来实现泵浦光束和探测光束的多次反射，过程复杂困难成功率低，构建成本高。本发明采用双包层空芯光子晶体光纤，充分利用双包层空芯光子晶体光纤带隙导光的机制和微纳光学与光电加工工艺，实现光束在原子蒸气室内的多次反射，本发明可以实现装置微型化，免除镀膜困难、增加高反微透镜这两个复杂的步骤，并且具有构建成本低、模块化程度高、功能易于扩充等特点。

3)在先技术检测装置检测灵敏度受限于检测原理和系统构建复杂度，针对脑磁图检测的灵活性差。本发明结合圆偏振光泵浦光源、柱矢量探测光源以及偏振偏转器；圆偏振泵浦光源出射的圆偏振泵浦光束经过偏振偏转器后光束传播方向发生改变，从原子蒸气室端面入射后在腔内发生多次反射实现动态原子蒸气泵浦；柱矢量探测光源出射的柱矢量探测光束可通过偏振偏转器改变柱矢量光中径向分量和角向分量的组成比例；探测光束透射后被内光电探测器阵列和外光电探测器阵列接收，内光电探测器阵列和外光电探测器阵列将信号传给信号分析处理模块进行分析。因而本发明可实现对柱矢量光场的全方向检测，且结构简单、便于实现、检测信息量大、动态泵浦、灵活性好。

4)在先技术检测装置体积大，系统构建过于复杂，检测点单一，检测磁场空间分辨率有限，影响使用范围。本发明采用全光原子磁力检测机理以及双包层空芯光子晶体光纤，充分利用六个内层空心腔和六个外层空心腔呈周期性正六边形对称规则阵列的结构，将光电传感器阵列置于内层空心腔和外层空心腔中，可在360度范围内接收探测光束，从而实现本发明空间多点测量、柱矢量光场的全方向检测和磁场高空间分辨率测量这三个特点，并且具有灵活性强、可拓展性好、精度高等特点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种基于双包层空芯光子晶体光纤的弱磁场传感系统，包括原子蒸气室1、偏振偏转器2、圆偏振泵浦光源3、柱矢量探测光源4、内层空心腔5、内光电探测器阵列6、外层空心腔7、外光电探测器阵列8、信号分析处理模块9。所述原子蒸气室1为双包层空芯光子晶体光纤的中央空心腔，内层空心腔5中设有内光电探测器阵列6，外层空心腔7中设有外光电探测器阵列8，内光电探测器阵列6和外光电探测器阵列8连接信号分析处理模块9，原子蒸气室1端面外设有偏振偏转器2、圆偏振泵浦光源3，柱矢量探测光源4。

本发明的主要原理是基于原子磁力检测原理以及双包层空芯光子晶体光纤的带隙导光原理；圆偏振泵浦光源3出射泵浦光束，经过偏振偏转器2的反射后入射到原子蒸气室1腔内发生多次反射，产生动态原子蒸气泵浦，柱矢量探测光束4出射的光束经过偏振偏转器2调制后入射到原子蒸气室1腔内发生多次反射后部分透射出去，透射光束被位于内层空心腔5内的内光电探测器阵列6和外层空心腔7内的外光电探测器阵列8接收后得到精细空间分布信息，通过信号分析处理模块9分析后实现高空间分辨率磁场传感和检测。

本实施例的具体实施过程为：

所述原子蒸气室1，其特征在于为双包层空芯光子晶体光纤的中央空心腔，采用背景材料为纯二氧化硅的圆柱形微腔结构；所述原子蒸气室1腔内充有碱金属原子蒸气且采用碱金属中的铷原子蒸气；基于双包层空芯光子晶体光纤的带隙导光机制，光束在原子蒸气室1内会发生布拉格衍射从而在原子蒸气室1内产生非全内反射，从而实现光束在原子蒸气室1内的多次反射，部分光束会从腔内壁发生折射透射出去；

所述偏振偏转器2为光谱分光镜振镜，对圆偏振泵浦光源3出射光束高反射，反射率为99％，对柱矢量探测光源出射探测光束高透过率，透射率为99％，偏振偏转器2可改变柱矢量探测光径向分量和角向分量的组成比例；

所述圆偏振泵浦光源3采用圆偏振泵浦光束作为泵浦光，圆偏振泵浦光源3出射光路上设置有偏振偏转器2，圆偏振泵浦光束经过偏振偏转器2后光束传播方向发生改变，圆偏振泵浦光束从原子蒸气室1端面入射，在原子蒸气室1内发生多次反射，与原子蒸气室1内的铷原子蒸气发生反应进行动态原子蒸气泵浦进一步拓展信息维度；

所述柱矢量探测光源4采用柱矢量光作为探测光，出射探测光束从原子蒸气室1端面入射，在入射在原子蒸气室1端面之前，光路经过偏振偏转器2；在偏振偏转器2光学作用面上，调整并记录柱矢量探测光束径向分量和角向分量的组成比例；柱矢量探测光束在原子蒸气室1的腔内与极化的铷原子蒸气作用后发生多次反射，每次经过原子蒸气室内壁时，有部分探测光发生透射；

所述内光电探测器阵列6和外光电探测器阵列8均为二维光电探测器阵列，二维光电探测器阵列为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器；所述信号分析处理模块9为超级计算机；发生透射后的柱矢量探测光束被位于内层空心腔5中的内光电探测器阵列6和位于外层空心腔7中的外光电探测器阵列8接收后，内光电探测器阵列6和外光电探测器阵列8将探测到的空间差异性的光电分布信息传递给信号分析处理模块9，信号分析处理模块9将接收到的阵列信号与偏振偏转器2上记录的出射柱矢量探测光束的信息进行数据对比分析后，实现高空间分辨率磁场传感与检测。

本实施例具有方法简单、无需低温制冷系统、结构简单、便于实现、柱矢量光场全方向检测、可实现空间多点测量、磁场高空间分辨率、可拓展性好、灵敏度高、检测信息量大、动态泵浦、灵活性好、可实现微型化、应用范围广等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的发明点在于基于双包层空芯光子晶体光纤的带隙导光原理以及原子磁力检测原理，解决了镀膜困难和增加透镜的问题，利用内光电探测器阵列和外光电探测器阵列得到精细空间分布信息，通过分析处理实现高空间分辨率磁场检测，给出一种方法简单、无需低温制冷系统、结构简单、可实现微型化、可实现柱矢量光场全方向检测、灵敏度高、可实现空间多点测量、磁场高空间分辨率、可拓展性好、检测信息量大、动态泵浦、灵活性好、便于实现的弱磁场传感系统，本质上避免在先技术的不足。