一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置及方法

摘要

一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置，包括第一激光器、第一隔离器、第一λ/2波片、第一偏振分束器、所述第一光纤耦合器、第一频谱仪、反光镜、原子传感器探头、第三λ/2波片、第三偏振分束器、第一光电转换器、第二光电转换器、数据采集系统、所述第二激光器、第二隔离器、声光调制器、第二λ/2波片、第二偏振分束器、第二光纤耦合器、第二频谱仪、λ/4波片、扩束器；所述原子传感器探头的两侧均设置有面向其的平面反光镜，所述平面反光镜与输入原子传感器探头的泵浦光束平行设置。本发明采用平行平面反射镜与原子传感器探头相结合的技术，实现多光路折返，有效增加作用距离和法拉第旋光的角度，提高了磁场测量的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于弱磁探测技术领域，具体涉及一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置及方法。

背景技术

高灵敏度弱磁探测技术在生物医学、空间探测、地球物理、海洋探测等具有重要应用价值。例如，人体或其他生物体的某些器官，例如心和脑等产生的磁场极其微弱，但包含丰富的信息，对其进行测量得到的数据对医学研究具有重要参考价值。全光学原子磁力仪（或磁强计）装置及其相关探测技术由于能够实现较为理想的灵敏度，受到研究者的广泛关注。现有基于全光学的高灵敏度弱磁探测技术主要有基于原子无自旋交换弛豫（spin-exchange-relaxation-free, SERF）、光泵（optical pumping, OP）、非线性磁光旋转（non-linear magneto-optical rotation, NMOR）原理方法，以及结合一些改进技术。这些技术的主要基本原理是，利用窄线宽的激光，测量经过极化的原子在磁场中的振荡信号或自旋演化信号，通过分析信号的特征来得到磁场的大小及其变化。具体来说，几种主要的方法特点不尽相同。

SERF主要是矢量弱磁探测方法，其基本原理是，利用高度极化后的高密度原子在近零磁场（极其微弱的背景磁场）下，原子自旋能保持较长时间的相干性并且其衰减弛豫和磁场相关。SERF比较适合做近零磁场下的精密测量，灵敏度高，但需要磁屏蔽筒。对于背景相对更大的磁场，比如地磁场下，除非使用主动补偿，否则不能正常工作。为了达到高密度原子数，通常工作在150摄氏度以上的高温。此外，在测量过程中为了提高灵敏度并抑制噪声，往往需要锁相放大器（lock-in amplifier, LIA），高采样频率也会直接降低其灵敏度性能，因此实际采样频率或带宽一般在10-100Hz，仅极少数可达kHz级别（例如CN202011300255.1）。

光泵磁力仪（optical pumping magnetometer, OPM）可以实现标量单轴和矢量多轴测量。是根据原子能级在磁场作用下产生塞曼分裂这一物理现象，使用一个射频场匹配这个分裂能级的能量差，使得原子产生共振吸收，根据吸收信号和射频场频率来得到磁场大小。可实现较高的灵敏度，并且能够工作在较大的磁场例如地磁场中，但为了提高灵敏度并降低噪声，同样需要LIA，因此对磁场的采样频率同样不高，常见的为10-100Hz。

脉冲光学泵浦式的NMOR主要为标量探测方法，其基本原理是，根据泵浦光极化后的原子在磁场中会产生进动（拉莫尔进动），通过测量进动频率得到磁场大小。其优点在于：（1）能在大的背景磁场，例如地磁场环境中工作；（2）相比较SERF，在均采用同一种原子介质的情况下，无需SERF的高温，NMOR在100摄氏度以下也能达到较好性能；（3）采用直接频率测量与自然基准，长期工作无需校准；（4）无需采用LIA，结构更简单；（5）灵敏度较高，经过优化可以达到SERF水准。不足之处：（1）采用脉冲泵浦-探测模式，其中泵浦光为周期性脉冲t

一些比较重要的应用如空间探测、生物磁场检测等，需要更高磁场采样频率

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能有效提高采样频率并保持高灵敏度的高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置，包括输出探测光的第一激光器、输出泵浦光的第二激光器，所述第一激光器的输出端与第一隔离器的输入端连接，所述第一隔离器的输出端与第一λ/2波片的输入端连接，所述第一λ/2波片的输出端与将光束分成两束的第一偏振分束器的输入端连接，所述第一偏振分束器的输出端一与第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的输出端与进行动态检测的第一频谱仪的输入端连接，所述第一偏振分束器的输出端二输出的光束经反光镜变换光束后进入原子传感器探头，所述原子传感器探头的出射光输入至第三λ/2波片，所述第三λ/2波片的输出端与将光束分成两束的第三偏振分束器的输入端连接，所述第三偏振分束器的输出端一与第一光电转换器的输入端连接，所述第三偏振分束器的输出端二与第二光电转换器的输入端连接，所述第一光电转换器和第二光电转换器的差分输出端均与对探测信号进行采集、存储、处理与显示的数据采集系统连接；

所述第二激光器的输出端与第二隔离器的输入端连接，所述第二隔离器的输出端与控制光束强度的声光调制器的输入端连接，所述声光调制器的输出端与第二λ/2波片的输入端连接，所述第二λ/2波片的输出端与将光束分成两束的第二偏振分束器的输入端连接，所述第二偏振分束器的输出端一与第二光纤耦合器的输入端连接，所述第二光纤耦合器的输出端与进行动态检测的第二频谱仪的输入端连接，所述第二偏振分束器的输出端二与将光束变换成圆偏振光束的λ/4波片连接，所述λ/4波片的输出光束经扩束器扩束后照射进入原子传感器探头；

其特征在于：所述原子传感器探头的两侧均设置有面向其的平面反光镜，所述平面反光镜与输入原子传感器探头的泵浦光束平行设置。本发明的泵浦光和探测光，采用平行平面反射镜与原子传感器探头相结合的技术，实现多光路折返，有效增加作用距离和法拉第旋光的角度，结构较为稳定，提高了磁场测量的灵敏度，并且装置更容易搭建和调整。

进一步，所述原子传感器探头包括原子气室，所述原子气室外设有保温室，所述保温室内设有对原子气室进行加温的加热器，所述加热器与稳定温度的温度控制器连接，所述原子气室外设有三维磁场线圈，所述三维磁场线圈的精密电流源与控制磁场大小的第四控制器电性连接。

进一步，所述原子气室是透明的，其内充满饱和铷原子蒸气。

进一步，所述第一激光器与对其提供高精度的温度和电流控制的第一控制器电性连接。

进一步，所述第二激光器与对其提供高精度的温度和电流控制的第二控制器电性连接。

进一步，所述声光调制器与控制其的第三控制器电性连接。

一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量方法，其具体步骤包括：

（1）调整两平面反光镜和原子传感器的位置，将原子传感器探头放置于磁屏蔽筒内，通过加热至设定温度，三维磁场线圈的z方向产生一静态磁场并叠加一交变测试磁场；

（2）从初始时刻t=0开始，第二激光器发出的泵浦光，由声光调制器结合第三控制器，周期性关闭与打开，其中泵浦光打开时长t

（3）从t=0开始，三维磁场线圈的y方向加载一个射频脉冲，持续时间为t

（4）从t=0开始，第一激光器发出的探测光持续打开，其经过原子传感器探头后的信号被第一光电转换器、第二光电转换器接收；

（5）从t=0开始，数据采集系统采集并分析光第一光电转换器、第二光电转换器接收的信号，其中采集的有效数据时长为T

（6）在连续模式或间歇模式下，从t=0开始，进行相应磁场数据采集；

（7）对采集到的磁场数据进行频谱分析以及根据需要进行拟合，得到测量的灵敏度、磁场变化频率。

进一步，在连续模式下，磁场数据采集为周期性地连续采样，原始数据点采样频率

进一步，在间歇模式下，磁场数据采集为：一定次数N的周期性连续采样，随后间歇期间不采样，再进行一定次数N的周期性连续采样，以此反复；原始数据点采样频率

本发明的优点是：

1、本发明的泵浦光和探测光，采用平行平面反射镜与原子传感器探头相结合的技术，实现多光路折返，有效增加作用距离和法拉第旋光的角度，结构较为稳定，提高了磁场测量的灵敏度，并且装置更容易搭建和调整。

2、本发明采用连续模式或间歇模式的脉冲控制技术，测量过程中可进行其他中断操作，并实现在数据量较大的时候仍能有效采样数据，提高了磁场测量采样频率

3、本发明在脉冲泵浦式的高灵敏度标量磁场测量中，维持了微弱磁场测量的高灵敏度，并提高了其采样频率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原子传感器探头的结构示意图。

图3为本发明的连续模式测量脉冲时序控制示意图。

图4为本发明的间歇模式测量脉冲时序控制示意图。

图5为本发明的连续模式脉冲时序控制与磁场测量结果示意图。

图6为本发明的磁场连续测量数据与信号还原示意图。

图7为本发明的间歇模式结果示意图。

图8为本发明的磁场测量灵敏度频谱曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上” 或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不 是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征 “之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅 仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方” 和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水 平高度小于第二特征。

实施例一

参见图1、图2，本实施例提供了一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量装置，包括输出探测光的第一激光器2、输出泵浦光的第二激光器18。

本实施例所述第二激光器18的输出端与第二隔离器19的输入端连接，所述第二隔离器19的输出端与控制光束强度的声光调制器20的输入端连接，所述声光调制器20的输出端与第二λ/2波片22的输入端连接，所述第二λ/2波片22的输出端与将光束分成两束的第二偏振分束器23的输入端连接，所述第二偏振分束器23的输出端一与第二光纤耦合器24的输入端连接，所述第二光纤耦合器24的输出端与进行动态检测的第二频谱仪25的输入端连接，所述第二偏振分束器23的输出端二与将光束变换成圆偏振光束的λ/4波片26连接，所述λ/4波片26的输出光束经扩束器27扩束后照射进入原子传感器探头11。所述第二激光器18与对其提供高精度的温度和电流控制的第二控制器17电性连接。所述声光调制器20与控制其的第三控制器21电性连接。本发明的第二控制器17对第二激光器18提供高精度的温度和电流控制，第二激光器18输出激光作为泵浦光，经过第二隔离器19后，由声光调制器20结合第三控制器21控制光束的强度。随后经过第二λ/2波片22以及第二偏振分束器23，分为两束光，一束进入第二光纤耦合器24并输入至第二频谱仪25用作动态检测，另一束经过λ/4波片26变换成圆偏振光后由扩束器27进行扩束，并照射进原子传感器探头11。

本实施例所述第一激光器2的输出端与第一隔离器3的输入端连接，所述第一隔离器3的输出端与第一λ/2波片4的输入端连接，所述第一λ/2波片4的输出端与将光束分成两束的第一偏振分束器5的输入端连接，所述第一偏振分束器5的输出端一与第一光纤耦合器6的输入端连接，所述第一光纤耦合器6的输出端与进行动态检测的第一频谱仪7的输入端连接，所述第一偏振分束器5的输出端二输出的光束经反光镜8变换光束后进入原子传感器探头11，所述原子传感器探头11的出射光输入至第三λ/2波片12，所述第三λ/2波片12的输出端与将光束分成两束的第三偏振分束器13的输入端连接，所述第三偏振分束器13的输出端一与第一光电转换器14的输入端连接，所述第三偏振分束器13的输出端二与第二光电转换器15的输入端连接，所述第一光电转换器14和第二光电转换器15的差分输出端均与对探测信号进行采集、存储、处理与显示的数据采集系统16连接；所述第一激光器2与对其提供高精度的温度和电流控制的第一控制器1电性连接。所述原子传感器探头11的两侧均设置有面向其的平面反光镜，一个为前平面反光镜10，另一个为后平面反光镜9，所述平面反光镜与输入原子传感器探头11的泵浦光束平行设置。本发明的第一控制器1对第一激光器2提供高精度的温度和电流控制，第一激光器2输出激光作为探测光，经过第一隔离器3与第一λ/2波片4后，由第一偏振分束器5分为两束光，一束进入第一光纤耦合器6并输入至第一频谱仪7用作动态检测，另一束经过反射镜8变换光束后进入原子传感器探头11。在装置中作了设计，使得这束光在后平面反射镜9、前平面反射镜10和原子传感器探头11组合中可以经过多次往返反射，提高光学有效作用距离并增加了法拉第旋光的角度，出射光通过第三λ/2波片12，并由第三偏振分束器13分成两束光，分别利用第一光电转换器14与第二光电转换器15进行差分探测，探测的信号使用数据采集系统16进行采集、存储、处理与显示。

本实施例所述原子传感器探头11包括原子气室28，所述原子气室28外设有保温室30，所述保温室30内设有对原子气室进行加温的加热器29，所述加热器29与稳定温度的温度控制器32连接，所述原子气室28外设有三维磁场线圈31，所述三维磁场线圈31的精密电流源34与控制磁场大小的第四控制器33电性连接。所述原子气室28是透明的，其内充满饱和铷原子蒸气。本发明使用了充满饱和铷原子蒸气的透明原子气室28作为原子与磁场作用的介质，原子气室28由加热器29进行加温，并由温度控制器32来稳定温度，外层的保温室30用来减少热量损耗。三维磁场线圈31结合精密电流源34用来分别产生x、y、z三个方向可变的磁场，其磁场大小由第四控制器33进行控制。

本发明的泵浦光和探测光，采用平行平面反射镜与原子传感器探头相结合的技术，实现多光路折返，有效增加作用距离和法拉第旋光的角度，结构较为稳定，提高了磁场测量的灵敏度，并且装置更容易搭建和调整。

实施例二

本实施例提供了一种高灵敏度脉冲光学泵浦式标量磁场测量方法，采用了脉冲泵浦式的NMOR标量探测方法，其基本原理是，根据泵浦光极化后的原子自旋，在磁场中会产生进动（拉莫尔进动），通过探测光去测量原子自旋的进动频率，可以精确得到磁场大小等信息。

首先需要搭建实施例一所述的测量装置，调整后平面反射镜9、前平面反射镜10和原子传感器探头11组合，实现多次往返反射。通过时钟信号同步的控制信号精确控制各个器件的工作时序，如第一控制器1、第二控制器17、第三控制器21、第四控制器33、数据采集系统16、温度控制器32等，来精确测量原子气室28内的原子自旋变化引起的光学信号变化。将这些变化通过数据采集系统16的记录与分析，反演待测磁场的信息。其中相应的脉冲时序控制有连续模式和间歇模式两种。连续模式适用于一般情形，间歇模式适用于需要有间歇地进行其他中断类操作的情形，或者需短时间内处理大量数据的情形。上述控制方案在实际测量中体现出较强的灵活性和适应性。

连续模式时，测量具体步骤包括：

（1）调整两平面反光镜和原子传感器的位置，将原子传感器探头11放置于磁屏蔽筒内，通过加热至设定温度，三维磁场线圈的z方向产生一静态磁场并叠加一交变测试磁场；

（2）从初始时刻t=0开始，第二激光器18发出的泵浦光，由声光调制器20结合第三控制器21，如图3所示的脉冲控制时序，周期性关闭与打开，其中泵浦光打开时长t

（3）从t=0开始，三维磁场线圈31的y方向，由第四控制器33加载一个射频脉冲，持续时间为t

（4）从t=0开始，第一激光器2发出的探测光持续打开，其经过原子传感器探头11后的信号被第一光电转换器14、第二光电转换器15接收；

（5）从t=0开始，数据采集系统16采集并分析光第一光电转换器14、第二光电转换器15接收的信号，其中采集的有效数据时长为T

（6）在连续模式下，如图3所示的脉冲控制时序，从t=0开始，磁场数据采集为周期性地连续采样，原始数据点采样频率

（7）对采集到的磁场数据进行频谱分析以及根据需要进行拟合，得到测量的灵敏度、磁场变化频率等参数。

间歇模式时，测量具体步骤包括：

（1）调整两平面反光镜和原子传感器的位置，将原子传感器探头11放置于磁屏蔽筒内，通过加热至设定温度，三维磁场线圈的z方向产生一静态磁场并叠加一交变测试磁场；

（2）从初始时刻t=0开始，第二激光器18发出的泵浦光，由声光调制器20结合第三控制器21，如图3所示的脉冲控制时序，周期性关闭与打开，其中泵浦光打开时长t

（3）从t=0开始，三维磁场线圈31的y方向，由第四控制器33加载一个射频脉冲，持续时间为t

（4）从t=0开始，第一激光器2发出的探测光持续打开，其经过原子传感器探头11后的信号被第一光电转换器14、第二光电转换器15接收；

（5）从t=0开始，数据采集系统16采集并分析光第一光电转换器14、第二光电转换器15接收的信号，其中采集的有效数据时长为T

（6）在间歇模式下，如图4所示的脉冲控制时序，从t=0开始，磁场数据采集为：一定次数N的周期性连续采样，随后间歇期间不采样，再进行一定次数N的周期性连续采样，以此反复；原始数据点采样频率

（7）对采集到的磁场数据进行频谱分析以及根据需要进行拟合，得到测量的灵敏度、磁场变化频率等参数。

本发明优化测量手段及数据处理方法，采用连续模式或间歇模式的脉冲控制技术，测量过程中可进行其他中断操作，并实现在数据量较大的时候仍能有效采样数据，提高了磁场测量采样频率

具体的一个实施如下所示：

【1】通过第一控制器1控制第一激光器2，实现输出波长为795.01nm，功率为7mW。通过第一λ/2波片4与第一偏振分束器5，进入原子传感器探头11的探测光功率为0.2mW。

【2】设置入射探测光角度为4度，平行的后平面反射镜9和前平面反射镜10间距20cm，使得探测光通过后来回反射，形成4次折返光路，并从原子传感器探头11出射。

【3】原子传感器探头11的原子气室28充满铷87原子蒸气，通过温度控制器32控制加热器29，对其加热至90摄氏度。

【4】原子传感器探头11放置于磁屏蔽筒内用以屏蔽周围电磁场干扰。

【5】原子传感器探头11中，通过第四控制器33控制精密电流源34，使得三维磁场线圈31的z方向产生一个13.7μT的静态磁场，并叠加一个11.6nT的频率为500Hz的交变测试磁场。

【6】从原子传感器探头11出射的探测光经过第三λ/2波片12与第三偏振分束器13，被第一光电转换器14、第二光电转换器15转换成电信号，并经过数据采集系统16采集，原始数据点采样频率

【7】通过第二控制器17设置第二激光器18，实现输出波长为794.98nm，功率为40mW。

【8】通过第三控制器21控制声光调制器20，打开时间t

【9】当声光调制器20处于打开状态时，通过第二λ/2波片22与第二偏振分束器23，并经过λ/4波片26与扩束器27，使得进入原子传感器探头11的泵浦光功率为39mW。

【10】通过第四控制器33控制精密电流源34，使得三维磁场线圈31在y方向产生一个射频脉冲，持续时间t

【11】探测光保持打开状态。

【12】连续模式下，数据采集系统16在除去射频脉冲时间t

【13】间歇模式下，数据采集系统16进行次数N=10的周期性连续采样，磁场测量采样频率

【14】图5展示了连续模式下相应的脉冲时序控制示意，以及10个磁场数据B

【15】图6展示了根据图5中的测量结果，对连续模式测量的周期性磁场数据进行拟合计算，还原出原始的11.6nT的频率为500Hz的交变测试磁场信号。

【16】图7展示了在间歇模式下的N=10个磁场数据点归为一组，例如B

【17】图8展示了一段20s时长的磁场测量数值的FFT变换频谱分布，以及噪声水平。展示了磁场测量灵敏度在10-1000Hz范围内优于700fT/Hz

综上所述，该实施例实现了2kHz的磁场采样率，磁场测量灵敏度在10-1000Hz范围内优于700fT/Hz