小型铯光泵磁力仪探头的制作方法

本发明属于磁探技术领域，涉及一种自激式铯光泵原子磁力仪，主要提供了一种小型铯光泵磁力仪探头。

背景技术：

磁场无处不在，大到宇宙空间、星系、黑洞、恒星、行星，小到生物器官、电子芯片、原子都存在磁场。磁力仪是一种可测量其所处位置磁场值、磁场梯度、磁倾角、磁偏角的仪器，可用于勘探地质、矿产、古遗址，检测金属产品内部缺陷，探测水下磁异常目标等。俄罗斯曾用磁力仪成功预报了地震，对预防重大灾害有重要意义，高灵敏度的磁力仪可用于诊断脑部和心脏疾病。磁力仪按原理可分为磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、原子磁力仪、超导磁力仪等，它们的静态灵敏度分别为0.1nT/√Hz、50pT/√Hz、pT/√Hz、fT/√Hz量级。其中，原子磁力仪具有体积小、灵敏度高、工作于常温的优势，可广泛应用于航天、航空、海洋等领域。

铯光泵原子磁力仪是通过测量Cs¹³³原子磁距在磁场中的进动频率从而计算出磁场值的仪器。对一个原子系统，当存在静磁场B时，原子磁距绕磁场方向进行进动，且进动频率为W_L＝rB，其中r＝3.498577,为Cs¹³³原子的旋磁比。只要测量出原子的进动频率W_L，就可计算出磁场值B。为了测出原子的进动频率W_L，波长894.6nm的光将原子吸收室内铯原子泵浦到高能级后，射频驱动铯原子的进动相位一致从而产生磁共振，磁共振对光强有调制作用，所以光探测器探测到的光强变化频率即为原子进动频率W_L。

铯光泵探头光系组件包括铯原子灯、铯原子吸收室、偏振片、凸透镜等，现有铯原子吸收室的尺寸一般为直径25.4mm、长25mm。小型化是铯光泵原子磁力仪的发展方向，其光系组件的缩小主要是铯原子吸收室的缩小，但是缩小铯原子吸收室会导致磁力仪灵敏度的降低。通过对铯原子吸收室镀膜，可在缩小铯原子吸收室的同时不降低磁力仪的灵敏度。另外，用厚度1mm的菲涅尔透镜代替厚度5mm左右的凸透镜可缩短探头长度。以上方法可缩小铯光泵原子磁力仪光系组件到直径不超过13mm,长度不超过60mm，且灵敏度相当。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种小型铯光泵磁力仪探头，它具有体积小、重量轻的特点，为铯光泵磁力仪的小型化提供了一种方案。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，这种小型铯光泵磁力仪探头，它包括铯原子灯、加热柱体、加热线圈、壳体、组合镜组、铯原子吸收室、菲涅尔透镜及光探测器；铯原子灯外绕有激励线圈，加热柱体外绕有双绞线加热线圈，铯原子吸收室外绕有双绞线恒温线圈和射频线圈，且两线圈间有绝缘材料隔离；双绞线加热线圈通以交流电对加热柱体进行加热，加热柱体对紧挨的铯原子灯进行加热，双绞线恒温线圈通以交流电对铯原子吸收室进行恒温控制；激励线圈通以高频交流电激发铯原子灯发光，经过组合镜组后成为平行圆偏振光，再经铯原子吸收室，被磁共振状态的铯原子调制后照射光探测器产生光电信号输出。

所述铯原子灯为球形玻璃泡，直径不大于8mm(最优直径7mm-8mm)，其内充有惰性气体和铯原子。

所述铯原子吸收室为直径不大于12.7mm、长度不大于15mm(最优直径12.6mm-12.8mm、长12.6mm-12.8mm)的玻璃柱体且内壁有镀膜。为抵消温控电流产生的磁场，铯原子吸收室外部绕有双绞线恒温线圈且通以交流电对铯原子吸收室进行恒温控制。铯原子吸收室外部射频线圈所产生磁场的方向与光轴平行。

所述组合镜组由菲涅尔透镜、偏振片、波片及窄带滤光片组成，自然光从镜组入射后，成为894.6nm圆偏振光出射，所述菲涅尔透镜厚度不大于1mm、焦距不大于10mm(最优厚度为1mm、焦距为10mm)且表面无凹凸，光通过表面的环形光栅发生会聚。

本发明的有益效果为：它具有体积小、重量轻的特点，采用小体积的镀膜铯原子吸收室，且采用菲涅尔透镜代替凸透镜进行聚焦，使得整个光系组件的直径不超过13mm，长度不超过60mm，且灵敏度相当。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中组合镜组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明内容。

参阅图1，激励线圈2通以高频交流电激发铯原子灯1发光，经过组合镜组6后成为平行圆偏振光，再经铯原子吸收室7，被磁共振状态的铯原子调制后照射光探测器产生光电信号输出，且信号频率与磁场值成正比。

参阅图1，铯原子灯1外绕有激励线圈2，加热柱体3外绕有双绞线加热线圈4，双绞线加热线圈4通以交流电对加热柱体3进行加热，加热柱体3对紧挨的铯原子灯1进行加热。

参阅图1，为抵消加热电流产生的磁场，铯原子吸收室7外绕有双绞线恒温线圈8且通以交流电对铯原子吸收室7进行恒温控制；铯原子吸收室7外绕有射频线圈9作为自激震荡回路的一部分，其产生磁场的方向与光轴平行；两线圈间有绝缘材料隔离。

参阅图2，组合镜组6由菲涅尔透镜61、偏振片62、波片63及窄带滤光片64依次排列，经光学胶粘合而成，其中菲涅尔透镜为一面刻有环形光栅的有机材料薄片，其厚度1mm、焦距10mm。

实施例

本实施例以磁共振铯原子吸收室调制光强为基本原理，以镀膜铯原子吸收室为关键元件，设计出产品级的小型铯光泵原子磁力仪探头。该探头中激励线圈2通以高频交流电激发铯原子灯1发光，经过组合镜组6后成为平行圆偏振光，再经铯原子吸收室7，被磁共振状态的铯原子调制后照射光探测器产生光电信号输出，且信号频率与磁场值成正比，信号频率与旋磁比的比值即为磁场值。

参阅图1，本实施例磁力仪探头包括铯原子灯1、激励线圈2、加热柱体3、加热线圈4、壳体5、组合镜组6、铯原子吸收室7、双绞线恒温线圈8、射频线圈9、菲涅尔透镜10及光探测器11；具体实现方式如下：

铯原子灯1：设计为球形玻璃泡，直径7mm-8mm,内部抽真空后充有惰性气体和铯原子，常温下玻璃泡内的铯原子以固态和气态共存，受到激发后主要发出波长894nm和852nm的光，铯原子灯的球心位于菲涅尔透镜61的前焦点上；

激励线圈2：采用无磁金属线绕成，通以100MHz-120MHz射频激励铯原子灯发光。

加热柱体3：由导热性好的金属制成，对外部绕制的加热线圈4通以交流电以对加热柱体加热，热量传递给铯原子灯起到气化铯金属的作用。

组合镜组6：由多个光学元件粘合而成，按光入射的次序分别为菲涅尔透镜61(直径12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm，焦距10mm)、偏振片62(直径12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)、波片63(直径12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)、中心波长894nm的窄带滤光片64(直径12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)。其中，菲涅尔透镜61与凸透镜不同，其表面无凸起，通过一面刻有的光栅对光起到汇聚作用，缩短了光系组件的长度。

铯原子吸收室7：设计为柱形玻璃容器，直径12.6mm-12.8mm，长度10mm。铯原子吸收室为磁力仪的磁共振发生部件，原子在其中的弛豫时间越长，磁力仪的灵敏度越高。原子吸收室内壁镀有分子膜，可以允许原子碰壁4000次后才失去其自旋相干，增加了原子的弛豫时间，可大幅提高磁力仪的灵敏度。铯原子吸收室外壁贴有热敏电阻用以测量吸收室的温度。铯原子吸收室外部绕有恒温线圈9，为消除加热电流的磁场影响，采用双绞线方式绕制线圈，且通以交流电，恒温线圈外有绝缘材料隔离，绝缘材料外绕有射频线圈9，作为自激震荡回路的信号输入。

光探测器11：菲涅尔透镜10将光束会聚后照射光探测器11产生光电信号。光探测器为波长探测范围350-1100nm的硅基探测器、且在波长896nm有较高响应。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。