光学高灵敏度磁力仪及其探头的制作方法

本实用新型属于磁力仪技术，尤其涉及一种光学高灵敏度磁力仪及其探头。

背景技术：

微弱磁场测量是一项非常重要的技术。在许多领域如空间地球物理、工业无损检测、医学、基础科学研究等都有着广泛应用。相对于磁通门磁力仪、超导干涉磁力仪、质子磁力仪等现有的仪器，基于光学原理的磁力仪具有灵敏度高、无接触、不需要强场激励、被动探测、不需高温等优点，具有很高的理论和应用价值，其中如基于偏振面旋转的光学磁力仪等微弱磁场测量仪器是近年来受到关注的一种磁力仪，其基本原理是，由一束高功率的共振激光对某些碱金属原子进行极化，然后使用另外一束激光探测原子在磁场中的进动，根据探测光偏振面的旋转变化得到待测磁场的大小。由于该类仪器会涉及到大量的光学和测量技术，因此其灵敏度具有较大的改进空间。

在提高光学磁力仪灵敏度的各种途径中，用于放置原子的密闭泡的设计和具体的光路设计很关键，而在基于偏振面旋转的光学磁力仪中，若在体积一定的气室中增加光与原子作用的有效长度，可实现大的偏振面偏转角度、改善信噪比并提升灵敏度和稳定性。其中在激光器中常用的光学谐振腔可大幅提高有效光程，并用于许多基础研究中例如吸收光谱、原子干涉仪等，但其特点是模式有限，光路重合，采样的原子数非常有限，对灵敏度的提升非常有限。

除此之外，在光学磁力仪的研究进展中，除了对灵敏度要求较高，同时还对探头部分的体积提出了要求，因此当前迫切需要一种既能够有效增加有效光程，又能够提高空间采样率、简化装置结构和操作方法的方案，且实际实现的装置足够稳定，使得偏振面旋转角度、信号噪声比获得显著提高，最终较大地提高光学磁力仪的灵敏度。

为了解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种高灵敏度全光铯原子磁力仪[申请号：CN103558566A]，包括磁屏蔽筒，磁屏蔽筒内放置有Cs原子气室，在Cs原子气室周围放置三轴亥姆霍兹线圈；磁屏蔽筒上分别设有泵浦光口、检测光口和出射光口；泵浦光口外侧对应设有泵浦光激光器以及对泵浦光的幅度进行方波调制的电光调制器，泵浦光激光器的频率锁定在Cs原子D1线Fg＝3→Fe＝4共振线处；检测光口外侧对应设有检测光激光器，检测光激光器的频率锁定在Cs原子D2线Fg＝4→Fe＝5共振线处，被调制的泵浦光经扩束器进行扩束后，采用偏振片和λ/4波片变成圆偏振光照射Cs原子气室；出射光口外侧对应设有检测装置；检测装置检测圆二向色性介质导致的偏振光的偏振面旋转，经转换电路后做差、放大、滤波后，利用锁相放大器测量输出信号；所述的Cs原子气室为长方体，其中4个用于通过检测光形成反射的表面除检测光的入射光和出射光局部均镀上保偏膜，另外两个用于通过泵浦光的表面不镀膜；检测光激光器发射的检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一个角度。

上述方案虽然在一定程度上提高了灵敏度，但是仍然存在诸多不足：1、光路稳定性下降；2：没有实现使光与原子作用的有效长度延长；2、在提高灵敏度的同时付出了使结构复杂化的代价，增加了装置的成本，降低了装置实用性；3、磁力仪探头采用了屏蔽层，使该装置不能工作在地磁场环境中，功能受到限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种能够延长光与原子作用的有效长度的光学高灵敏度磁力仪探头；

本实用新型的另一目的是针对上述问题，提供一种采用光学高灵敏度磁力仪探头的光学高灵敏度磁力仪。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种光学高灵敏度磁力仪探头，包括探头本体和位于探头本体内部中央位置的玻璃密闭泡，所述的玻璃密闭泡内具有碱金属气体，所述的探头本体内部两端分别具有相互平行设置的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜的相对面均具有向内凹陷且向两端延伸的柱状内凹圆弧面，且两个柱状内凹圆弧面之间围绕第一柱面反射镜和第二柱面反射镜的共同轴线成一旋转夹角，所述的第一柱面反射镜上具有一透光区，所述的探头本体上位于玻璃密闭泡的上方具有一泵浦光口，所述的探头本体侧面位于靠近第一柱面处开设有与透光区相对应的检测光口。

通过上述技术方案，使第一柱面反射镜和第二柱面反射镜上的柱状内凹圆弧面之间形成一旋转夹角从而使通过透光区进入的探测光能够在第一柱面反射镜和第二柱面反射镜之间实现多次反射以使探测光在玻璃密闭泡内的有效路程显著增加从而提高灵敏度。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，两个柱状内凹圆弧面具有相同的曲率，且两个柱状内凹圆弧面通过第一柱面反射镜和第二柱面反射镜之间的相对旋转形成旋转夹角。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜之间的相对旋转角度为0度至90度。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜的柱状内凹圆弧面的两端均延伸至相应柱面反射镜的两端端面，柱状内凹圆弧面的两侧延伸至相应柱面反射镜的两侧。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜分别位于玻璃密闭泡的两侧。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜均集成于玻璃密闭泡内。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，其特征在于，所述的透光区为一横向贯穿于第一柱面反射镜的通孔；

或者，所述的透光区为一设置在第一柱面反射镜且横向贯穿的透明窗口。

在上述的光学高灵敏度磁力仪探头中，所述的第一柱面反射镜和第二柱面反射镜的相对面均呈圆形或方形且均镀有反射镜镀膜。

一种采用光学高灵敏度磁力仪探头的光学高灵敏度磁力仪，包括光学高灵敏度磁力仪探头，所述的光学高灵敏度磁力仪探头外部具有能够通过检测光口向探头内发射探测光的探测光激光器和通过泵浦光口向玻璃密闭泡上照射泵浦光的泵浦光激光器，所述的探测光激光器一旁还具有用于接收从检测光口射出的出射光的偏振探测器。

本实用新型光学高灵敏度磁力仪及其探头相较于现有技术具有以下优点：

1、在基于探测偏振面旋转的光学磁力仪中采用了空间均匀分布式的折返光路方法，相对于常规单程型、双程型、平面反射型、球面腔镜型或者光学谐振腔型等方法，将在有效作用光程延长的情况下获得更高的光路稳定性和空间采样率，从而使得探测光偏振面的旋转角度获得显著提高；

2、利用该装置进行磁场测量，可以在光学磁力仪的高灵敏度探测的情况下实现小体积和高空间采样率；

3、采用两个内凹圆弧面相对的柱面反射镜，使两个柱面反射镜之间具有一旋转夹角，在其他条件都一定的情况下通过该旋转夹角改变探测光在两个柱面反射镜之间的反射次数，实现在不需要外部结构的情况下就能够提高有效光程，在其他结构上与现有技术的结构类似的情况下，本实用新型具有更高的灵敏度，使增加或减少有效光程简单化，并且大大简化了操作方法；

4、结构简单，使用方便，灵敏度高。

附图说明

图1是本实用新型实施例一光学高灵敏度磁力仪探头的结构框图；

图2是本实用新型实施例一的两个柱面反射镜的相对位置示意图；

图3是本实用新型实施例三光学高灵敏度磁力仪的结构框图；

图4是本实用新型实施例三中单次信号波形图；

图5是本实用新型实施例三中磁场波形图；

图6是本实用新型实施例三中本实用新型的光学磁力仪对磁场响应的灵敏度波动图。

附图标记：探头本体1；玻璃密闭泡11；第一柱面反射镜12；第二柱面反射镜13；柱状内凹圆弧面14；透光区15；泵浦光口16；检测光口17；探测光激光器2；泵浦光激光器3；偏振探测器4；磁脉冲源5。

具体实施方式

以下是本实用新型的优选实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例一

如图1至图2所示，本实施例的光学高灵敏度磁力仪探头包括探头本体1和位于探头本体1内部中央位置的玻璃密闭泡11，玻璃密闭泡11内具有碱金属气体，探头本体1内部两端分别具有相互平行设置的第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13，第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13的相对面均具有向内凹陷且向两端延伸的柱状内凹圆弧面14，且两个柱状内凹圆弧面14之间围绕第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13的共同轴线成一旋转夹角，第一柱面反射镜12上具有一供探测光进入和出射的透光区15，探头本体1上位于玻璃密闭泡11的上方具有一泵浦光口16，探头本体1侧面位于靠近第一柱面处开设有与透光区15相对应的检测光口17，本实施例中，两个柱状内凹圆弧面14具有相同的曲率，且两个柱状内凹圆弧面14通过第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13之间的相对旋转形成旋转夹角从而使通过透光区15进入的探测光能够在第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13之间实现多次反射以使探测光在玻璃密闭泡11内的有效路程显著增加从而提高的灵敏度。

这里的第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13之间的相对旋转角度可以为0度至90度，也就是任意角度，具体角度不受限制，可以根据需要反射的次数等条件决定，在此说明一下，第一柱面反射镜可以以相对具有一旋转夹角的状态固定在探头内，也可以周向可活动设置在探头内，以便于工作人员在使用该装置时调整两个柱面反射镜之间的相对旋转夹角大小。

优选地，这里的探头不采用屏蔽层使本装置可以工作在敞开的空间，尤其是工作在地磁场环境中。

进一步地,第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13的柱状内凹圆弧面14的两端均延伸至相应柱面反射镜的两端端面，柱状内凹圆弧面14的两侧延伸至相应柱面反射镜的两侧从而使柱状内凹圆弧面14覆盖于相应柱面反射镜的一个面。

这里的第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13分列玻璃密闭泡11的两侧，且透光区15为一设置在第一柱面反射镜12上且横向贯穿的透明窗口，采用透明窗口作为透光区使得探头结构更加密闭，同时防尘效果与防止探头热量散失的效果更好。

进一步地，第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13的相对面均呈圆形或方形或者其他形状，且第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13的相对面均镀有反射镜镀膜。

实施例二

本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的透光区15为一横向贯穿于第一柱面反射镜12的通孔，经过通孔的探测光既没有光能量损失，也没有采用透明窗口(即使镀了增透膜)内部可能存在的杂散反射光，并且本实施例的第一柱面反射镜12和第二柱面反射镜13均集成于玻璃密闭泡11内，从而获得了如下技术效果：显著减少了探测光来回反射过程中每次经过密闭泡透光窗口时的光能量损耗，提高测量信噪比；通过提高机械结构的稳定性进一步提高了光路稳定性；有效减小了探头的体积，有助于实现小体积和高空间采样率。

实施例三

如图4所示，本实施例为一种采用实施例二中的光学高灵敏度磁力仪探头的光学高灵敏度磁力仪，包括光学高灵敏度磁力仪探头，光学高灵敏度磁力仪探头外部具有能够通过检测光口17向探头内发射探测光的探测光激光器2和通过泵浦光口16向玻璃密闭泡11上照射泵浦光的泵浦光激光器3，探测光激光器2一旁还具有用于接收从检测光口17射出的出射光的偏振探测器4。

本实施例的光学高灵敏度磁力仪可通过以下方法进行磁场测量：

A：将两个柱面反射镜具有一相对旋转角度的光学高灵敏度磁力仪的探头放置于待测磁场信号中，使磁场信号覆盖玻璃密闭泡11；

B：探测光激光器2通过检测光口17向探头内部发射探测光，探测光经过透光区15并穿过玻璃密闭泡11后到达第二柱面反射镜13，再由第二柱面反射镜13反射探测光，反射后的探测光穿过玻璃密闭泡11达到第一柱面反射镜12，随后探测光在两个柱面反射镜之间多次反射并在反射次数达到预设次数后从透光区15和检测光口17出射；

C：在探测光在两个柱面反射镜之间进行多次反射的过程中，泵浦光激光器3从泵浦光口16向玻璃密闭泡11内照射泵浦光以对碱金属原子进行泵浦和极化；

D：从透光区15和检测光口17出射的出射光被偏振探测器4接收并转换成相应变化的电信号，将电信号进行包括放大和滤波处理的电路处理后利用数据采集系统对数据进行记录以获取偏振面旋转变化的信息从而得到待测磁场的大小。

下面通过一具体例子对本实用新型进行具体说明以及灵敏度验证：

将铷金属气体放置于玻璃密闭泡11内，其两侧分别放置两个相互平行的、曲率均为500mm的柱面反射镜，其相对旋转角度为80.1度，探测光激光器2产生一束波长是795nm的偏振探测光从第一柱面反射镜12上的透光区15入射，穿过玻璃密闭泡11到达第二个柱面反射镜，随后在两个柱面反射镜之间多次反射达到50次后从透光区15出射。泵浦光激光器3产生另外一束波长是795nm的偏振光，照射在玻璃密闭泡11上，实现对铷原子进行泵浦和极化，磁脉冲源5产生一个频率为95kHz的周期性振荡的磁场作用在玻璃密闭泡11上。随后，出射光信号被偏振探测器4接收并转换成相应变化的电信号，进行放大、滤波等电路处理后利用数据采集系统进行记录，记录的单次信号如图4所示，计算出待测磁场约为13μT，按相等间隔重复测量记录50s，得到一组测量数据和波形图，如图5所示，通过分析得到光学磁力仪整体系统的灵敏度约300fT/Hz^1/2，如图6所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了探头本体1；玻璃密闭泡11；第一柱面反射镜12；第二柱面反射镜13；柱状内凹圆弧面14；透光区15；泵浦光口16；检测光口17；探测光激光器2；泵浦光激光器3；偏振探测器4；磁脉冲源5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。