核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法
【专利摘要】核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法，涉及属于原子传感器领域。本发明是为了解决现有的敏感探测单元精度低，不能满足核磁共振陀螺仪要求的问题。本发明所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法，主体结构由3D打印技术打印完成，直接限定了各个元件的位置，VCSEL激光器发出的激光经起偏器起偏，然后经小焦距准直透镜准直，再经过1/4波片调整偏振态后射入核磁共振气室中，原子气室中的碱金属原子与惰性气体原子首先由泵浦光抽运至激发态，核磁共振气室的出射光射向光电探测器的光敏面，完成核磁共振信号的探测。适用于研制微结构核磁共振陀螺仪系统。
【专利说明】 核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于原子传感器领域。
【背景技术】
[0002]核磁共振原子陀螺仪是利用原子的核磁共振频率变化来检测角度变化的传感器，其中的敏感探测单元是整个陀螺仪的核心部件，它的稳定性和精度决定了系统的整体核磁共振原子陀螺仪的检测精度，然而现有的敏感探测单元精度低、功耗大、体积大，不能满足核磁共振陀螺仪要求，因此，如何设计一种高精度、低功耗、小体积的敏感探测单元成为了制造核磁共振陀螺仪的关键。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有的敏感探测单元精度低，不能满足核磁共振陀螺仪要求的问题，现提供核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法。
[0004]核磁共振陀螺仪敏感探测单元，它包括:VCSEL激光器、起偏器、准直透镜、1/4波片、核磁共振气室、光电探测器和支架；
[0005]支架包括:立柱、底座、激光器卡槽、起偏器卡槽、准直透镜卡槽、1/4波片卡槽、气室上方夹具、气室下方夹具；
[0006]立柱垂直固定在底座上，底座上开有光电探测器通光孔，激光器卡槽、起偏器卡槽、准直透镜卡槽、1/4波片卡槽、气室上方夹具和气室下方夹具从上至下依次固定在立柱上，且激光器卡槽、起偏器卡槽、准直透镜卡槽、1/4波片卡槽、气室上方夹具、气室下方夹具和光电探测器通光孔同轴；
[0007]气室上方夹具和气室下方夹具的外表面分别设有上磁场线圈槽和下磁场线圈槽，且上磁场线圈槽和下磁场线圈槽中分别缠绕有上磁场线圈和下磁场线圈，气室上方夹具和气室下方夹具内部分别设有上加热片和下加热片；
[0008]VCSEL激光器位于激光器卡槽中,起偏器位于起偏器卡槽中，准直透镜卡槽位于准直透镜卡槽中，1/4波片卡槽位于1/4波片卡槽中，核磁共振气室位于气室上方夹具、气室下方夹具之间，光电探测器位于底座下方，且光电探测器的敏感芯片位于光电探测器通光孔的中心位置。
[0009]上述核磁共振陀螺仪敏感探测单元的制造方法如下:
[0010]首先采用3D打印技术将支架整体打印出来，然后分别将VCSEL激光器、起偏器、准直透镜、1/4波片、核磁共振气室和光电探测器分别嵌入在相应的卡槽中，最后获得核磁共振陀螺仪敏感探测单元。
[0011]本发明所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元及该单元的制造方法，主体结构由3D打印技术打印完成，结构一体化程度高，直接限定了各个元件的位置，便于装配，节约空间，避免了装配过程中带来的误差，提高了核磁共振陀螺仪敏感探测单元的精度；同时，高精度3D打印的光路结构框架使得核磁共振陀螺仪敏感探测单元的光路稳定性高于由各部分元件单独装配后的光路系统，提高了系统的整体精度；加热片和磁场线圈能够实现对气室内原子的精确温控和磁控；另外在本结构中如果采用不同种类的原子气室可实现多种功能的原子传感器。本发明达到了结构稳定、性能可靠的目的，可满足高精度核磁共振陀螺仪的要求，具有很高的实用价值，适用于研制微结构核磁共振陀螺仪系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元的支架的结构示意图；
[0013]图2为本发明所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元装配在支架上的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]【具体实施方式】一:参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，它包括=VCSEL激光器13、起偏器14、准直透镜15、1/4波片16、核磁共振气室19、光电探测器21和支架；
[0015]支架包括:立柱22、底座23、激光器卡槽1、起偏器卡槽2、准直透镜卡槽3、1/4波片卡槽4、气室上方夹具5、气室下方夹具6 ；
[0016]立柱22垂直固定在底座23上，底座23上开有光电探测器通光孔9，激光器卡槽1、起偏器卡槽2、准直透镜卡槽3、1/4波片卡槽4、气室上方夹具5和气室下方夹具6从上至下依次固定在立柱22上，且激光器卡槽1、起偏器卡槽2、准直透镜卡槽3、1/4波片卡槽4、气室上方夹具5、气室下方夹具6和光电探测器通光孔9同轴；
[0017]气室上方夹具5和气室下方夹具6的外表面分别设有上磁场线圈槽7和下磁场线圈槽8，且上磁场线圈槽7和下磁场线圈槽8中分别缠绕有上磁场线圈17和下磁场线圈18，气室上方夹具5和气室下方夹具6内部分别设有上加热片11和下加热片12 ；
[0018]VCSEL激光器13位于激光器卡槽I中，起偏器14位于起偏器卡槽2中，准直透镜卡槽3位于准直透镜卡槽3中，1/4波片卡槽4位于1/4波片卡槽4中，核磁共振气室19位于气室上方夹具5、气室下方夹具6之间，光电探测器21位于底座23下方，且光电探测器21的敏感芯片位于光电探测器通光孔9的中心位置。
[0019]本实施方式中，VCSEL激光器13发出的激光依次经过起偏器14、准直透镜15和1/4波片16透射至核磁共振气室19中，核磁共振气室19的出射光入射至光电探测器21的光敏面上。
[0020]原理=VCSEL激光器13发出的激光经起偏器14起偏，然后经小焦距准直透镜15准直，再经过1/4波片16调整偏振态后射入核磁共振气室19中，原子气室19中的碱金属原子与惰性气体原子首先由泵浦光抽运至激发态，核磁共振气室19的出射光射向光电探测器21的光敏面，完成核磁共振信号的探测。当陀螺仪系统发生角度变化时，探测器信号发生相应变化从而实现对角度变化的测量。
[0021]上加热片11和下加热片12能够对气室的温度进行控制；上磁场线圈17和下磁场线圈18能够对气室所在的稳恒磁场进行控制。所有卡槽和夹具的中心都在同一轴线上，能够保证各器件安装好后整体系统的光路是沿同一轴线，以实现核磁共振陀螺信号的测量。上磁场线圈17和下磁场线圈18均为细漆包线。
[0022]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，支架为一体式结构。
[0023]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，支架的材料为光敏树脂。
[0024]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，核磁共振气室19的形状为球体或圆柱体。
[0025]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，气室上方夹具5和气室下方夹具6的结构完全相同，气室上方夹具5为开口圆环，该圆环的开口处的两端均设有螺栓孔10，该螺栓孔10能够通过螺栓20改变圆环的直径。
[0026]本实施方式所述的气室上方夹具5和气室下方夹具6，即通过螺栓20来调节夹具圆环的直径，并通过改变圆环直径来承载各种型号的核磁共振气室。所述的核磁共振气室19位于气室上方夹具5和气室下方夹具6之间，气室安放好后，拧紧螺栓孔10中的螺栓20，将气室夹紧固定。
[0027]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，核磁共振气室19为玻璃气室。
[0028]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，VCSEL激光器13的波段为794.9nm。
[0029]【具体实施方式】八:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，起偏器14为794.9nm波段的红外偏振片。
[0030]【具体实施方式】九:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，1/4波片16在起偏器卡槽2中能够360°旋转。
[0031]【具体实施方式】十:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，上加热片11和下加热片12均为ITO加热膜。
[0032]【具体实施方式】^:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元作进一步说明，本实施方式中，光电探测器21为794.9nm波段探测器。
[0033]【具体实施方式】十二:本实施方式所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元的制造方法如下:
[0034]首先采用3D打印技术将支架整体打印出来，然后分别将VCSEL激光器13、起偏器14、准直透镜15、1/4波片16、核磁共振气室19和光电探测器21分别嵌入在相应的卡槽中，最后获得核磁共振陀螺仪敏感探测单元。
[0035]本实施方式所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元的制造方法整体结构单元由3D打印制作完成，能够实现所需器件的快捷装配。结构一体化程度高，克服了各小结构部件不便安装的问题，避免了装配带来的误差。
【权利要求】
1.核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，它包括…⑶此激光器(13)、起偏器(“)、准直透镜(15)、1#波片(…)、核磁共振气室(…)、光电探测器(21)和支架； 支架包括:立柱(22)、底座(23)、激光器卡槽(1)、起偏器卡槽(2)、准直透镜卡槽(3)、1/4波片卡槽(4)、气室上方夹具(5)、气室下方夹具(6)； 立柱(22)垂直固定在底座(23)上，底座(23)上开有光电探测器通光孔(9),激光器卡槽(1)、起偏器卡槽(2)、准直透镜卡槽(3).1/4波片卡槽(4)、气室上方夹具(5)和气室下方夹具(6)从上至下依次固定在立柱(22)上，且激光器卡槽(1)、起偏器卡槽(2)、准直透镜卡槽(3)、1#波片卡槽(4)、气室上方夹具(5)、气室下方夹具(6)和光电探测器通光孔(9)同轴； 气室上方夹具(5)和气室下方夹具(6)的外表面分别设有上磁场线圈槽(7)和下磁场线圈槽(8),且上磁场线圈槽(7)和下磁场线圈槽(8)中分别缠绕有上磁场线圈(17)和下磁场线圈(18),气室上方夹具(5)和气室下方夹具(6)内部分别设有上加热片(11)和下加热片(12)； 7(:321激光器(13)位于激光器卡槽(1)中，起偏器(14)位于起偏器卡槽(2)中，准直透镜卡槽(3)位于准直透镜卡槽(3)中，1/4波片卡槽(4)位于1/4波片卡槽(4)中，核磁共振气室(19)位于气室上方夹具(5)、气室下方夹具(6)之间，光电探测器(21)位于底座(23)下方，且光电探测器(21)的敏感芯片位于光电探测器通光孔(9)的中心位置。
2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，支架为一体式结构。
3.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，支架的材料为光敏树脂。
4.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，核磁共振气室(19)的形状为球体或圆柱体。
5.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，气室上方夹具(5)和气室下方夹具(6)的结构完全相同，气室上方夹具(5)为开口圆环，该圆环的开口处的两端均设有螺栓孔(10),该螺栓孔(10)能够通过螺栓(20)改变圆环的直径。
6.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，核磁共振气室(19)为玻璃气室。
7.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，激光器(13)的波段为794.9鹽。
8.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，起偏器(14)为794.911111波段的红外偏振片。
9.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪敏感探测单元，其特征在于，光电探测器(21)为794.9=0波段探测器。
10.核磁共振陀螺仪敏感探测单元的制造方法，其特征在于，该法方法如下: 首先采用30打印技术将支架整体打印出来，然后分别将7(^3此激光器(13)、起偏器(14)、准直透镜(15)、1#波片(16)、核磁共振气室(19)和光电探测器(21)分别嵌入在相应的卡槽中，最后获得核磁共振陀螺仪敏感探测单元。
【文档编号】G01C25/00GK104457729SQ201410850404
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】张鹏, 陈海涛, 孙帅, 徐兴烨, 黄辉 申请人:中国电子科技集团公司第四十九研究所