专利名称：高灵敏度原子磁力仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁场测量仪器，尤其是能够测量极其微弱磁场的仪器。
背景技术：
在现代科技中，微弱磁场的探测是一项非常重要的技术。空间磁场的信息具有很重要的 应用，例如空间和近地表探测、军事技术、工业检测、人体磁场的探测等。目前使用较多 的微弱磁场测量仪主要有质子旋进磁力仪、光泵磁力仪和低温超导量子干涉磁力仪等。上述 磁场测量技术有的灵敏度不够高，有的装置过于复杂，从而限制了其使用范围。
发明内容
为了克服现有的微弱磁场测量仪器装置复杂和灵敏度有限的问题，本发明提供了一种新 型的高灵敏度原子磁力仪。该仪器不但具备非常高的灵敏度，而且装置简单、功耗小。
本发明提供一种高灵敏度原子磁力仪，由激光光源l、弱磁场探头2和信号探测器3三 个部分构成，通过激光光路连接，构成高灵敏度原子磁力仪的整体；所述的激光光源1，采 用稳频半导体激光器输出的与碱金属原子基态跃迁频率共振的圆偏振激光，由激光器4、激 光器控制电路5和四分之一波片6构成；所述的弱磁场探头2，由包含碱金属饱和蒸汽的玻 璃泡7和调制线圈8构成，包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡7置于待测磁场中；所述的信号探 测器3，采用光电转换器件9把透过玻璃泡7的激光信号转换成电信号，同时采用调制与解 调的自相关检测技术对电信号进行处理，然后使用计算机对电信号自动采集、再处理和输出； 由光电转换器件9、锁相放大器10和数据采集、处理设备ll构成。
本发明提供的原子磁力仪的测量方法是将包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡7及其周围均 匀加热且保持恒温，置于待测磁场中；先开启激光器控制电路5，调节激光二极管的电流和 温度，使半导体激光器4的波长稳定，将适用波长的四分之一波片6垂直置于激光光束方向， 调节波片的相对角度使得透射光为圆偏振光；在调制线圈8上加入正弦交变电流，调节光路，
使圆偏振光纵向通过原子气体泡7;并使用高灵敏度硅光电二极管9对透射光强进行探测，
将光电二极管的信号输入锁相放大器IO进行自相关检测，并将锁相放大器的输出信号输入计 算机ll进行采集、处理和最终输出。
本发明所提供的原子磁力仪的工作机理是当共振激光通过碱金属原子气体的时候，在 横向待测微弱磁场作用下造成了原子布居数转移，从而改变原子气体对激光强度的吸收率。 通过测量透射激光强度的变化来得到微弱磁场的信号。本发明的优点是 一、装置简单，仅需激光光源、弱磁场探头和光电探测器三个部分； 二、灵敏度高，这是由于碱金属原子的能级布居数对磁场的变化非常敏感，而能级布居数对 入射激光的吸收率影响很大；三、界面直观友好，由于充分发挥计算机软硬件在数据采集和 处理上的优势，使得界面直观并且功能强大。
图1是本发明所提供的原子磁力仪的总体结构示意图
图2是激光光源部分的结构示意图
图3是弱磁场探头部分的结构示意图
图4是信号探测器部分的结构示意图
图5是实施例中的计算机程序界面
具体实施例方式
实施例1
高灵敏度原子磁力仪总体结构图如图1，包括激光光源部分l、弱磁场探头部分2和信号 检测部分3，三个部分通过激光光路连接，构成高灵敏度原子磁力仪的整体。激光光源部分l 的结构图如图2，包括半导体激光器4、激光器控制电路5和四分之一波片6;弱磁场探头部 分2的结构图如图3，包括碱金属原子泡7和调制线圈8;信号检测部分3的结构图如图4， 包括光电转换器9、锁相放大器10和数据采集、处理设备11;图5是实施例中的计算机程 序界面。
实施例中碱金属原子采用铷-87原子，铷原子气体泡7尺寸为040X50mm，将其周围均 匀加热且恒温至73.2°C,并置于待测磁场中。在使用过程中，先开启激光器控制电路5，调 节激光二极管的电流为77.78mA，温度为21.03°C，使半导体激光器4的波长稳定至794.8nm， 光束直径为0^5mm，输出功率衰减至0.35mW;将适用波长为794.8nm的四分之一波片6垂 直置于激光光束方向，调节波片6的相对角度至76。，使得透射光为圆偏振激光；在调制线圈 8上加入频率157.4Hz、峰一峰值为10.0mA的正弦交变电流；调节光路，使圆偏振激光纵向 通过铷原子气体泡7，并使用高灵敏度硅光电二极管9对透射光强进行探测，将光电二极管 的信号输入锁相放大器10进行自相关检测，并将锁相放大器的输出信号输入计算机11进行 采集、处理和最终输出。输出结果如图5所示。
权利要求
1. 一种高灵敏度原子磁力仪，其特征是由激光光源(1)、弱磁场探头(2)和信号探测器(3)三个部分构成，通过激光光路连接，构成高灵敏度原子磁力仪的整体；所述的激光光源(1)，采用稳频半导体激光器输出的与碱金属原子基态跃迁频率共振的圆偏振激光，由激光器(4)、激光器控制电路(5)和四分之一波片(6)构成；所述的弱磁场探头(2)，由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡(7)和调制线圈(8)构成，包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡(7)置于待测横向磁场中；所述的信号探测器(3)，采用光电转换器件(9)把透过气体泡(7)的激光信号转换成电信号，同时采用调制与解调的自相关检测技术对电信号进行处理，然后使用计算机对电信号自动采集、再处理和输出；由光电转换器件(9)、锁相放大器(10)和数据采集、处理设备(11)构成。
2. 根据权利要求1中所述的原子磁力仪，其特征是激光器(4)的波长与某种碱金属的共 振频率相对应，四分之一波片(6)用于产生圆偏振光。
3. 根据权利要求2中所述的原子磁力仪，其特征是碱金属采用铷-87原子，铷原子气体泡(7)尺寸为CD40X50mm。
4. 根据权利要求1中所述的原子磁力仪，其特征是光电转换器件(9)为高灵敏度光电二极管。
5. 根据权利要求1中所述的原子磁力仪，其特征是所述的原子磁力仪测量方法是将包 含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡(7)及其周围均匀加热且保持恒温，置于待测磁场中；先开 启激光器控制电路(5)，调节激光二极管的电流、温度，使外腔式半导体激光器(4)的波长稳定，将适用波长的四分之一波片(6)垂直置于激光光束方向，调节波片(6)的 相对角度使得透射光为圆偏振激光；在调制线圈(8)上加入正弦交变电流，调节光路， 使圆偏振激光纵向通过原子气体泡(7);并使用高灵敏度硅光电二极管(9)对透射光强 进行探测，将光电二极管的信号输入锁相放大器(10)进行自相关检测，并将锁相放大 器的输出信号输入计算机(11)进行采集、处理和最终输出。
全文摘要
一种能够测量极其微弱磁场的高灵敏度原子磁力仪，由激光光源、弱磁场探头和信号探测器三部分构成，由激光光路连接，构成高灵敏度原子磁力仪的整体。通过测量激光、原子气体与弱磁场的共同相互作用所引起的透射激光强度的改变来精确测定微弱磁场，具有灵敏度高、结构简单、界面友好、功耗低等优点。
文档编号G01R33/02GK101441253SQ200810163009
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者徐云飞, 李曙光, 强 林, 王兆英 申请人:浙江大学