原子磁强计及磁场成像系统的制作方法

本申请涉及精密测量设备技术领域，特别是涉及一种原子磁强计及磁场成像系统。

背景技术：

原子磁强计是一种精密测量微弱磁场的传感器。因为原子磁强计工作条件不要求超低温环境，并具有极高的磁测灵敏度，因此在弱磁探测领域，逐渐成为可与超导量子干涉器件相媲美的极弱磁探测方式。原子磁强计在系统体积、与被测体间距、功耗等方面具有优势，可以在心脑磁成像领域，心脑神经电流引起的极弱磁场探测对于冠心病、癫痫等疾病的检测，新生儿心脑健康的评估等具有重要的应用价值。

原子磁强计的工作模式很多，其基本原理是通过光与原子的相互作用，利用光来制备极化的碱金属原子和检测原子电子自旋在外加磁场作用下的拉莫尔(lamor)进动，从而实现磁场的传感。为了使得原子磁强计达到灵敏度，一般原子磁强计工作在无自旋交换弛豫(spin-exchange-relaxation-free，serf)条件下。此时，碱金属原子的气室要加热到一定的高温状态以提升气室中碱金属原子数密度，并使环境磁场降低到接近零磁场，最终larmor进动频率远小于自旋交换弛豫，自旋交换弛豫受到有效抑制。因此，原子磁强计一方面需要较高温度的加热，同时又要保证加热过程不会产生过大的磁噪声而降低磁强计的灵敏度。

然而，传统原子磁强计的加热方式主要包括热气流加热和电加热方式。热气流加热需要外加气流源，气流源会产生一定的热气流波动而影响系统稳定性。电加热方式不可避免地由于加热电流和金属材料的剩磁会引入一定的磁场噪声。因此，传统原子磁强计的加热方式仍然会引入干扰因素，对磁场产生干扰，导致原子磁强计的检测精度偏低。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种原子磁强计及磁场成像系统。

本申请提供一种原子磁强计。所述原子磁强计包括激光光源、倍频模块、原子气室以及光吸收模块。所述激光光源用于发出第一波长激光。所述倍频模块设置于所述第一波长激光的光路上，用于将部分所述第一波长激光转换为第二波长激光。所述原子气室设置于所述第一波长激光的光路上。所述光吸收模块设置于所述第一波长激光的光路上。且所述光吸收模块设置于所述原子气室表面，用于吸收所述第一波长激光，并转换为热能对所述原子气室进行加热。所述第二波长激光用于进入所述原子气室，并与所述原子气室中原子气体发生相互作用，用以实现磁场信号的探测。

上述原子磁强计及磁场成像系统，经过所述倍频模块倍频后，一部分激光被倍频，形成波长为原先波长一半的倍频激光。另一部分激光保持原先的波长，两部分激光在同一个光路进行传输。即，所述第一波长激光的波长为所述第二波长激光的波长的两倍。并且，所述第一波长激光与所述第二波长激光共用同一条光路进行传输。通过所述倍频模块，使得原始的所述第一波长激光的波长倍频，形成所述第二波长激光。此时，经过所述倍频模块倍频后形成的所述第二波长激光对应了敏感气体能级的共振跃迁谱线。

所述原子气室表面设置有所述光吸收模块，对所述第一波长激光具有强吸收。可以理解为，所述光吸收模块对特定波长的激光进行吸收。所述第一波长激光通过所述光吸收模块后会被强烈吸收，转化为热量用于加热所述原子气室。

所述第二波长激光进入所述原子气室的气室内，并与气室中的敏感气体原子发生相互作用后，输出光通过聚焦透镜照射到光电探测模块进行探测，用以实现对磁场信号的探测。当磁场变化时，光电探测模块探测到的光功率会发生变化，从而获得磁场测量的信号。

因此，通过一个固定波长的所述激光光源与所述倍频模块可以实现将激光倍频，并输出所述第一波长激光(原波长激光)与所述第二波长激光(倍频后波长激光)。所述第一波长激光(原波长激光)用于对所述原子气室进行加热。所述第二波长激光(倍频后波长激光)用于进入所述原子气室，实现原子磁强计的泵浦和探测。

从而，本申请所述原子磁强计通过一个所述激光光源与一个所述倍频模块可以实现光加热和光泵浦检测的需求。相比于传统原子磁强计，所述原子磁强计不会引入干扰原子气室周围磁场的电学部分，避免了磁场噪声的引入。同时，所述原子磁强计结构简单，减少了器件个数的使用，有利于降低成本。并且，所述原子磁强计中所述第一波长激光与所述第二波长激光共路，降低了光学系统复杂程度，便于系统集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一实施例中原子磁强计的结构示意图。

图2为本申请提供的一实施例中原子磁强计的结构示意图。

图3为本申请提供的一实施例中原子气室的物理封装结构示意图。

图4为本申请提供的一实施例中原子磁强计的结构示意图。

图5为本申请提供的一实施例中磁场控制锁相放大模块与磁场调制线圈的连接结构示意图。

图6为本申请提供的一实施例中原子磁强计的结构示意图。

图7为本申请提供的一实施例中原子磁强计的结构示意图。

图8为本申请提供的一实施例中原子气室的物理封装结构示意图。

图9为本申请提供的一实施例中磁场成像系统的结构示意图。

图10为本申请提供的一实施例中磁场成像系统中位置测量控制阵列与原子磁强计探头的结构示意图。

附图标记说明：

原子磁强计100、激光光源10、倍频模块20、光衰减模块30、原子气室510、光吸收模块520、第一光吸收结构521、第二光吸收结构522、温度检测模块530、温度控制模块40、光电探测模块60、加热腔室540、磁场调制线圈550、第一调制线圈551、第二调制线圈552、偏置磁场线圈560、第一偏置线圈561、第二偏置线圈562、第三偏置线圈563、磁场控制锁相放大模块80、信号发生模块810、移相模块820、低通滤波模块830、光放大模块710、准直模块720、偏振模块730、第一四分之一波片740、第一分光模块910、二分之一波片920、第二四分之一波片930、磁场成像系统200、第二分光模块201、温度控制阵列202、磁场线圈驱动阵列203、信号采集处理阵列204、微控制模块205、原子磁强计探头206、位置测量控制阵列207、位置传感模块2071、位移控制模块2072。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

请参阅图1，本申请提供一种原子磁强计100。所述原子磁强计100包括激光光源10、倍频模块20、原子气室510以及光吸收模块520。所述激光光源10用于发出第一波长激光。所述倍频模块20设置于所述第一波长激光的光路上，用于将部分所述第一波长激光转换为第二波长激光。所述原子气室510设置于所述第一波长激光的光路上。所述光吸收模块520设置于所述第一波长激光的光路上。且所述光吸收模块520设置于所述原子气室510表面，用于吸收所述第一波长激光，并转换为热能对所述原子气室510进行加热。所述第二波长激光用于进入所述原子气室510，并与所述原子气室510中原子气体发生相互作用，用以实现磁场信号的探测。

本实施例中，经过所述倍频模块20倍频后，一部分激光被倍频，形成波长为原先波长一半的倍频激光。另一部分激光保持原先的波长，两部分激光在同一个光路进行传输。即，所述第一波长激光的波长为所述第二波长激光的波长的两倍。并且，所述第一波长激光与所述第二波长激光共用同一条光路进行传输。

所述原子气室510中包含有敏感气体(如碱金属原子)和缓冲气体(如氮气)。通过所述倍频模块20使得原始的所述第一波长激光(如波长为1590nm)的波长倍频形成所述第二波长激光(如波长为795nm)。此时，经过所述倍频模块20倍频后形成的所述第二波长激光(如波长为795nm)对应了敏感气体(如铷原子)能级的共振跃迁谱线。

所述原子气室510表面设置有所述光吸收模块520，对所述第一波长激光具有强吸收。可以理解为，所述光吸收模块520对特定波长的激光进行吸收。所述第一波长激光通过所述光吸收模块520后会被强烈吸收，转化为热量用于加热所述原子气室510。

所述第二波长激光进入所述原子气室510的气室内，并与气室中的敏感气体原子发生相互作用后，输出光通过聚焦透镜照射到光电探测模块进行探测。当磁场变化时，光电探测模块探测到的光功率会发生变化，从而获得磁场测量的信号。

因此，通过一个固定波长的所述激光光源10与所述倍频模块20可以实现将激光倍频，并输出所述第一波长激光(原波长激光)与所述第二波长激光(倍频后波长激光)。所述第一波长激光(原波长激光)用于对所述原子气室510进行加热。所述第二波长激光(倍频后波长激光)用于进入所述原子气室510，实现原子磁强计的泵浦和探测。

从而，本申请所述原子磁强计100通过一个所述激光光源10与一个所述倍频模块20可以实现光加热和光泵浦检测的需求。相比于传统原子磁强计，所述原子磁强计100不会引入干扰原子气室周围磁场的电学部分，避免了磁场噪声的引入。同时，所述原子磁强计100结构简单，减少了器件个数的使用，有利于降低成本。并且，所述原子磁强计100中所述第一波长激光与所述第二波长激光共路，降低了光学系统复杂程度，便于系统集成化。

在一个实施例中，所述原子气室510为包含有敏感气体(如碱金属原子)和缓冲气体(如氮气)的封闭玻璃腔室或者其它有透光窗口的封闭腔室。

在一个实施例中，所述倍频模块20为周期性极化铌酸锂(ppln)晶体。周期性极化铌酸锂(ppln)晶体的通光波长范围在0.4μm-5μm。此时，在可见光和红外波段范围内，周期性极化铌酸锂(ppln)晶体具有较低的散射和吸收，可以较好地实现激光倍频。

在一个实施例中，所述光吸收模块520包括第一光吸收结构521与第二光吸收结构522。所述第一光吸收结构521与所述第二光吸收结构522设置于所述原子气室510的两个相对表面。所述第一波长激光依次经过所述第一光吸收结构521、所述原子气室510以及所述第二光吸收结构522。

本实施例中，通过所述第一光吸收结构521与所述第二光吸收结构522可以从所述原子气室510的两侧进行加热。所述第一光吸收结构521和所述第二光吸收结构522对所述第一波长激光具有强吸收。当所述第一波长激光依次经过所述第一光吸收结构521和所述第二光吸收结构522后，会依次被所述第一光吸收结构521和所述第二光吸收结构522吸收。同时，所述原子气室510中敏感气体与所述第二波长激光进行相互作用，所述第一波长激光不会对其产生干扰。

在一个实施例中，所述原子气室510的腔室外壁(远离敏感气体的表面)设置有所述第一光吸收结构521与所述第二光吸收结构522。通过粘接的方式，将所述第一光吸收结构521与所述第二光吸收结构522设置于所述原子气室510的两侧腔室外壁上。

在一个实施例中，所述第一光吸收结构521与所述第二光吸收结构522为加热玻璃。加热玻璃粘接在所述原子气室510表面。加热玻璃对所述第一波长激光(1590nm激光)具有强吸收，而所述第二波长激光则可以较高效率地穿过加热玻璃。

在一个实施例中，所述第二光吸收结构522的厚度大于所述第一光吸收结构521的厚度。

本实施例中，所述第一波长激光依次经过所述第一光吸收结构521、所述原子气室510以及所述第二光吸收结构522。所述第二光吸收结构522设置于所述原子气室510的后侧，比所述第一光吸收结构521的厚度更厚，可使前后两侧的吸收加热激光效率相同，吸收的激光能量转换成热能直接对原子气室进行均匀加热。

请参阅图2，在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括光衰减模块30、温度检测模块530以及温度控制模块40。所述光衰减模块30设置于所述第一波长激光的光路，用于调节所述第一波长激光的功率。所述温度检测模块530设置于所述原子气室510表面，用于监测所述原子气室510的实时测量温度。所述温度控制模块40的监控端与所述温度检测模块530连接，用于获取所述实时测量温度。所述温度控制模块40的控制端与所述光衰减模块30连接，用于根据所述实时测量温度，对所述光衰减模块30进行调控以改变所述第一波长激光的功率。

本实施例中，所述光衰减模块30用于调节所述第一波长激光的光功率，可以理解为所述光衰减模块30对特定波长的激光进行衰减。通过所述光衰减模块30可以调节注入到所述光吸收模块520的所述第一波长激光的光功率，从而实现对所述原子气室510的温度调节。

经所述倍频模块20后的所述第一波长激光与所述第二波长激光，经过具有波长选择性的所述光衰减模块30来调节未倍频波长激光的功率。所述温度检测模块530可以实时监测所述原子气室510的温度，并将所述实时测量温度转化成电学信号传输到所述温度控制模块40。所述温度控制模块40基于所述实时测量温度，与目标温度进行对比获得温度差值。同时，所述温度控制模块40通过pid控制器调控所述光衰减模块30，以改变所述第一波长激光的功率，实现所述原子气室510的控温。

在一个实施例中，所述温度控制模块40包括反馈控制模块(图中未标出)。所述反馈控制模块用于根据所述实时测量温度与目标温度进行对比，并采用反馈控制方法调控所述光衰减模块30，以改变所述第一波长激光的功率。所述反馈控制模块包括但不限于微控制单元(microcontrollerunit，mcu)、中央处理器(centerprocessorunit，cpu)、嵌入式微控制器(microcontrollerunit，mcu)、嵌入式微处理器(microprocessorunit，mpu)、嵌入式片上系统(systemonchip，soc)等。

在一个实施例中，所述温度控制模块40通过控制滤光效率线性可变的1590nm滤光片(可变光衰减片)的角度。或者，所述温度控制模块40控制偏振分光棱镜(pbs)分光片前线性偏振光的偏振角度，以此来调控注入到所述原子气室510表面的所述第一波长激光的光功率(加热激光光功率)，实现所述原子气室510的控温。

在一个实施例中，所述温度检测模块530可以为温度传感器，如无磁铂电阻。

在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括光电探测模块60。所述光电探测模块60设置于所述第二波长激光的光路上，用于接收经所述原子气室510后的所述第二波长激光。

本实施例中，所述第二波长激光进入所述原子气室510的气室内，并与气室中的敏感气体原子发生相互作用后，输出光通过聚焦透镜照射到所述光电探测模块60进行探测。当磁场变化时，所述光电探测模块60探测到的光功率会发生变化，从而获得磁场测量的信号。

请参阅图3，在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括加热腔室540、磁场调制线圈550以及偏置磁场线圈560。所述加热腔室540包围形成加热空间。所述光吸收模块520、所述原子气室510以及所述温度检测模块530设置于所述加热空间。所述磁场调制线圈550围绕所述加热腔室540设置，用于对某一方向的磁场进行调制。所述偏置磁场线圈560围绕所述加热腔室540设置，用于将所述原子气室510在无磁信号时磁场置零。

本实施例中，所述加热腔室540形成热屏蔽层，保证所述加热空间的温度稳定。所述温度检测模块530设置于所述加热腔室540内，并设置于所述原子气室510的外侧壁上，可以实时监测所述原子气室510的温度。所述磁场调制线圈550可以为二维磁场调制线圈，设置于所述加热腔室540周围，用于对某一方向的磁场进行调制。所述偏置磁场线圈560可以为三维偏置磁场线圈，设置于所述加热腔室540周围，用于补偿所述原子气室510中剩余磁场(如地磁)的影响，使所述原子气室510在无磁信号时磁场置零。

请参阅图3、图4与图5，在一个实施例中，所述磁场调制线圈550包括第一调制线圈551与第二调制线圈552。

本实施例中，所述第一调制线圈551与所述第二调制线圈552均设置在垂直于所述第二波长激光的光路方向上，从两个方向进行调制，如图4所示。

在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括物理封装外腔(图中未显示)，选用具有低导热性的非金属材料。通过物理封装外腔将所述原子气室510、所述加热腔室540、所述磁场调制线圈550以及所述偏置磁场线圈560进行固定。同时，通过物理封装外腔为所述原子气室510提供高温工作环境，使所述原子磁强计100满足serf工作条件。其中，所述磁场调制线圈550与所述偏置磁场线圈560固定在包含所述原子气室510的物理封装外腔表面。所述磁场调制线圈550与所述偏置磁场线圈560为亥姆霍兹线圈结构。

所述原子磁强计100需要工作在零磁场附近，所述偏置磁场线圈560固定在所述原子气室510的物理封装外腔表面，用于补偿所述原子气室510中剩余磁场(如地磁)的影响，使所述原子气室510在无磁信号时磁场置零。

此时，所述原子磁强计100中所述原子气室510、所述第一光吸收结构521(加热玻璃)、所述第二光吸收结构522(加热玻璃)、所述温度检测模块530(温度传感器)、所述磁场调制线圈550(二维磁场调制线圈)以及所述偏置磁场线圈560(三维补偿线圈)形成了敏感部件，用于实现磁场测量。

请参阅图5，在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括信号发生模块810。所述信号发生模块810用于产生两路同一频率的调制信号。所述信号发生模块810与所述磁场调制线圈550连接，用于通过一路调制信号对某一方向的磁场进行调制。

本实施例中，所述信号发生模块810输出两路同一频率的正弦波或者方波信号，形成两路同一频率的调制信号。其中，一路调制信号输出到所述磁场调制线圈550(二维磁场调制线圈)中的一个，用来实现对某一方向磁场的调制。

在一个实施例中，所述信号发生模块810为信号发生器，用于输出正弦波或者方波信号。

在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括移相模块820与低通滤波模块830。所述移相模块820的第一输入端与所述信号发生模块810连接。所述移相模块820的第二输入端与所述光电探测模块60的输出端连接，用于通过另一路调制信号对所述磁场探测信号进行调制。所述低通滤波模块830与所述移相模块820的输出端连接，用于对调制后的所述磁场探测信号进行锁相放大输出。

本实施例中，所述光电探测模块60接收到的所述磁场探测信号中包含了磁场信息。所述信号发生模块810输出的另一路调制信号，经过所述移相模块820与所述磁场探测信号相乘，实现对所述磁场探测信号进行调制。调制后的所述磁场探测信号，经所述低通滤波模块830后，实现磁场信号的锁相放大输出。从而，通过锁相放大输出，提高了所述磁场探测信号的信噪比。

在一个实施例中，所述移相模块820为移相器。所述低通滤波模块830为低通滤波器。

请参阅图4，在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括光放大模块710、准直模块720、偏振模块730以及第一四分之一波片740。所述光放大模块710设置于所述第一波长激光的光路上，用于对所述第一波长激光进行放大。所述准直模块720设置于所述第一波长激光的光路上，用于对经所述倍频模块20后形成的所述第一波长激光与所述第二波长激光进行准直。所述偏振模块730设置于所述第一波长激光的光路上，用于对经所述光衰减模块30后的所述第二波长激光进行偏振。所述第一四分之一波片740设置于所述第一波长激光的光路上，用于对经所述偏振模块730后的所述第二波长激光进行转换，形成圆偏振光。

本实施例中，所述激光光源10输出的所述第一波长激光(如1590nm的激光)，一般输出光功率较小。通过所述光放大模块710放大，进而增加所述第一波长激光(如1590nm的激光)的激光功率。放大后的所述第一波长激光(如1590nm的激光)输入到所述倍频模块20中。通过所述倍频模块20使得所述第一波长激光(如1590nm的激光)的波长倍频，形成所述第二波长激光(795nm的激光)。此时，倍频后的所述第二波长激光(795nm的激光)对应了所述原子气室510中的敏感气体(如铷原子)能级的共振跃迁谱线。

经所述倍频模块20后的所述第一波长激光与所述第二波长激光，通过所述准直模块720准直成平行光束，以使得平行光束照射至所述原子气室510。

经所述准直模块720后的所述第一波长激光与所述第二波长激光，通过所述光衰减模块30对所述第一波长激光的光功率进行调控。通过所述光衰减模块30后的所述第一波长激光与所述第二波长激光经光纤耦合后，依次经过所述偏振模块730(所述第二波长激光的起偏器)以及所述第一四分之一波片740后，穿过所述原子气室510的窗口注入到所述原子气室510内部，并与敏感气体发生相互作用。

所述第二波长激光依次经过所述偏振模块730与所述第一四分之一波片740进入所述原子气室510，形成了探测光和泵浦光共路的光路结构。

对于探测光和泵浦光共路的光路结构，通过光衰减模块30的所述第二波长激光(如795nm激光)经过相应波长的所述偏振模块730和所述第一四分之一波片740，转换成圆偏振光。此时，圆偏振光自旋极化方向与光束传输的方向同向。所述第二波长激光(如795nm激光)较高效率地依次通过所述第一光吸收结构521(加热玻璃)和所述原子气室510的玻璃气室窗口，进入所述原子气室510内。所述第二波长激光(如795nm激光)与所述原子气室510内的铷原子气体发生相互作用。

在磁场作用下，原子自旋与探测光相互作用使原子气体的极化特性发生变化，光的偏振方向发生偏转，光功率发生改变。从而，穿过所述原子气室510的圆偏振光(即所述原子气室510的输出光)通过聚焦透镜被所述光电探测模块60接收。或者，通过光纤耦合头将所述原子气室510的输出光耦合进光纤。在光纤的另一端用所述光电探测模块60探测。所述光电探测模块60将光信号转换成电信号，用于分析计算获得磁场测量的信号。

因此，本申请中所述原子磁强计100，通过一个所述激光光源10与一个所述倍频模块20，可以输出包含原波长的激光成分和倍频后波长的激光成分。原波长的激光成分用于加热原子气室。倍频后波长的激光成分用于实现原子磁强计的泵浦和探测。

在一个实施例中，所述激光光源10为激光器。所述偏振模块730为起偏器。所述光放大模块710为光放大器，可以为掺铒光纤放大器等。所述准直模块720为无磁光纤准直器。

在一个实施例中，激光器、光放大器以及倍频晶体都可选用晶体-光纤一体结构。通过光纤转接头连接激光器以及其他放大倍频组件。其中，宽波带的高功率单模保偏光纤可以同时满足所述第一波长激光(1590nm激光)和所述第二波长激光(795nm激光)的传输，结构简单便于集成化封装。

请参阅图6，在一个实施例中，所述原子磁强计100还包括第一分光模块910、二分之一波片920与第二四分之一波片930。所述第一分光模块910设置于所述第二波长激光的光路上，用于将经所述光衰减模块30后的所述第二波长激光分成相互垂直的泵浦光与探测光。所述二分之一波片920设置于所述探测光的光路上，用于调整所述探测光的偏振角。经所述二分之一波片920后的所述探测光进入所述原子气室510。所述第二四分之一波片930设置于所述泵浦光的光路上，用于将所述泵浦光转换为泵浦圆偏振光。经所述第二四分之一波片930后的所述泵浦光进入所述原子气室510。

本实施例中，所述第二波长激光通过所述第一分光模块910形成两路互相垂直的光路。一路为探测光，经过所述二分之一波片920进入所述原子气室510。另一路为泵浦光，经过所述第二四分之一波片930进入所述原子气室510。从而，通过所述第一分光模块910、所述二分之一波片920以及所述第二四分之一波片930形成了探测光和泵浦光垂直的光路结构。

对于探测光和泵浦光垂直的光路结构，通过所述光衰减模块30的所述第二波长激光(如795nm激光)被相应波长的所述第一分光模块910分成两路。其中，一路泵浦光被所述第二四分之一波片930转变成圆偏振光照射到所述原子气室510中，用于光泵浦。另一路垂直于泵浦光的探测光，通过所述二分之一波片920调整进入所述原子气室510前线偏振光的偏振角。经所述二分之一波片920后的探测光照射到被泵浦光泵浦极化过的原子气体上，进而被所述光电探测模块60探测接收。

当磁场变化时，所述光电探测模块60探测到的光功率会发生变化，从而获得磁场测量的信号。所述原子磁强计100采用探测光和泵浦光垂直的光路结构，从两路方向进入所述原子气室510内，提高了磁场探测精度。

在一个实施例中，所述第一分光模块910为分光棱镜，具有波长选择性，用于对所述第二波长激光(如795nm激光)进行分束。

请参阅图7，在一个实施例中，对于探测光和泵浦光垂直的光路结构，所述激光光源10、光放大模块710、倍频模块20、准直模块720、光衰减模块30、温度控制模块40、磁场控制锁相放大模块80、光电探测模块60的相对位置关系，与探测光和泵浦光共路的光路结构相同，可参见上述实施例。

在一个实施例中，对于探测光和泵浦光垂直的光路结构，所述磁场调制线圈550设置于垂直于探测光方向上，从一个方向上进行调制，如图7和图8所示。通过所述信号发生模块810与所述磁场调制线圈550连接，用于通过一路调制信号对某一方向的磁场进行调制。

在一个实施例中，所述偏置磁场线圈560包括第一偏置线圈561、第二偏置线圈562以及第三偏置线圈563，分别垂直于光路进行设置，分布于不同方向上。所述偏置磁场线圈560与稳流源连接。通过稳流源输出到所述偏置磁场线圈560(三维偏置磁场线圈)，用于磁场清零。

泵浦光的自旋极化方向是与光传输方向一致。扫描磁场在零磁场附近扫描，根据汉勒(hanle)效应，磁场会影响光的偏振特性。所述光电探测模块60接收到经所述原子气室510的输出光后，会检测到零磁场位置的吸收峰。通过所述信号发生模块810对磁场大小进行调制，后经过锁相放大环路的解调，pid反馈控制到零场位置。从而，利用标定磁场和反馈信号进行准确的磁场测量。

请参阅图9，在一个实施例中，本申请提供一种磁场成像系统200。所述磁场成像系统200包括激光光源10、倍频模块20、第二分光模块201、多个原子磁强计探头206。所述激光光源10用于发出第一波长激光。所述倍频模块20设置于所述第一波长激光的光路上，用于将部分所述第一波长激光转换为第二波长激光。所述第二分光模块201设置于所述第一波长激光的光路上，用于将所述第一波长激光分成多个第一波长子光束，将所述第二波长激光分成多个第二波长子光束。其中，一个所述第一波长子光束与一个所述第二波长子光束共光路。

每个所述原子磁强计探头206包括光衰减模块30、原子气室510与光吸收模块520。所述原子气室510设置于所述第一波长子光束的光路上。每个所述光衰减模块30设置于所述第一波长子光束的光路上，用于调节所述第一波长子光束的功率。所述光吸收模块520设置于所述第一波长子光束的光路上。且所述光吸收模块520设置于所述原子气室510表面，用于吸收所述第一波长子光束，并转换为热能对所述原子气室510进行加热。所述第二波长子光束用于进入所述原子气室510，并与所述原子气室510中原子气体发生相互作用。

本实施例中，一个所述激光光源10输出所述第一波长激光。通过所述倍频模块20后形成所述第一波长激光与所述第二波长激光。所述第二波长激光对应原子能级共振跃迁，为所述第一波长激光的波长的二分之一。所述第一波长激光与所述第二波长激光共光路，在同一个光路进行传输。通过所述第二分光模块201形成多束光路，多光通道连接到多个所述原子磁强计探头206。因此，多个所述原子磁强计探头206，共同使用同一个激光器作为光源。

所述激光光源10输出所述第一波长激光(1590nm激光)。所述第一波长激光(1590nm激光)经过所述倍频模块20后，形成既含有所述第一波长激光(1590nm)成分，又含有所述第二波长激光(795nm激光)成分。两种不同波长的激光通过所述第二分光模块201分束形成多光通道，并连接到多个所述原子磁强计探头206。所述第二波长激光(795nm激光)进入所述原子磁强计探头206中所述原子气室510内与原子发生相互作用，用于实现磁场信号的测量。

当通过所述磁场成像系统200进行脑磁成像时，可以根据脑部形状制备佩戴在头部用来固定多个所述原子磁强计探头206的头盔。在需要进行磁场测量的位置处用机械加持的方式固定多个所述原子磁强计探头206。此时，在脑部表面形成原子磁强计探头阵列，用于测量探头所在位置处的磁场大小。

因此，所述磁场成像系统200通过单一激光光源、所述倍频模块20、所述第二分光模块201以及多个所述原子磁强计探头206，形成了原子磁强计阵列，可同时实现光加热和磁场探测。同时，由于多个所述原子磁强计探头206中的激光都来自于同一激光光源，使得所述磁场成像系统200具有良好的共模噪声抑制性，能够获得更低噪声的磁场图像。并且，多个所述原子磁强计探头206共用一个所述激光光源10与所述倍频模块20，可以降低制备成本。

在一个实施例中，所述第二分光模块201为光纤分束器。所述第二波长激光(795nm激光)进入所述原子磁强计探头206中所述原子气室510内与原子发生相互作用后，输出的激光被所述光电探测模块60接收。

在一个实施例中，所述光电探测模块60可以集成于所述原子磁强计探头206内。或者，通过光纤耦合头将多个所述原子磁强计探头206内所述原子气室510输出的激光耦合出探头，并与多个所述光电探测模块60连接。

请参阅图9，在一个实施例中，所述磁场成像系统200还包括温度控制阵列202。所述温度控制阵列202分别与多个所述原子磁强计探头206连接，用于对所述原子磁强计探头206进行调控以改变所述第一波长子光束的功率。

本实施例中，多个所述温度控制模块40形成所述温度控制阵列202。每个所述温度控制模块40与每个所述原子磁强计探头206一一对应连接，用于对所述原子磁强计探头206进行调控以改变所述第一波长子光束的功率。所述第一波长子光束的功率为对所述原子气室510进行加热的加热激光的光功率。

在一个实施例中，每个所述原子磁强计探头206至少还包括上述实施例中涉及到的所述偏振模块730、所述第一四分之一波片740、所述温度检测模块530、所述加热腔室540、所述磁场调制线圈550、所述偏置磁场线圈560等。

或者，每个所述原子磁强计探头206至少还包括上述实施例中涉及到的所述第一分光模块910、所述二分之一波片920、所述第二四分之一波片930、所述温度检测模块530、所述加热腔室540、所述磁场调制线圈550、所述偏置磁场线圈560等。

每个所述温度控制模块40的监控端与所述温度检测模块530连接，用于获取所述实时测量温度。每个所述温度控制模块40的控制端与所述光衰减模块30连接，用于根据所述实时测量温度与所述目标温度进行对比，利用反馈控制对所述光衰减模块30进行调控以改变所述第一波长子光束的功率，实现温度调节。

因此，每个所述原子磁强计探头206与每个所述温度控制模块40一一对应设置。多个所述温度控制模块40构成所述温度控制阵列202，以整体主动调控多个所述原子磁强计探头206的温度，即主动调控所述原子气室510的温度稳定于某一范围内。

请参阅图10，在一个实施例中，所述磁场成像系统200还包括位置测量控制阵列207。所述位置测量控制阵列207包括多个位置传感模块2071与多个位移控制模块2072。每个所述位置传感模块2071设置于每个所述原子磁强计探头206，用于对所述原子磁强计探头206的空间位置进行测量。每个所述位移控制模块2072设置于每个所述原子磁强计探头206，用于对所述原子磁强计探头206的位移进行控制移动。

本实施例中，在进行磁场测量及成像时，根据待测对象的磁场空间结构，多个所述原子磁强计探头206被固定并排布成探头阵列。同时，通过所述位置传感模块2071对所述原子磁强计探头206所测磁场的空间位置进行测量。通过所述位移控制模块2072对所述原子磁强计探头206进行微小位移调整。

每个所述原子磁强计探头206设置有所述位置传感模块2071与所述位移控制模块2072，对所述原子磁强计探头206所测磁场的空间位置进行测量及调整。从而，通过所测磁场的空间位置可以对磁场成像过程中的空间进行定位。

在一个实施例中，所述位置传感模块2071为位置传感器，如光电位置传感器。所述位移控制模块2072为位移控制器。

请参阅图9，在一个实施例中，所述磁场成像系统200还包括信号采集处理阵列204。所述信号采集处理阵列204包括多个信号采集处理模块(图中未标出)。每个所述信号采集处理模块与每个所述位置传感模块2071连接，用于采集所述原子磁强计探头206的空间位置。每个所述信号采集处理模块与每个所述位移控制模块2072连接，用于调控所述原子磁强计探头206的位移。每个所述信号采集处理模块与每个所述原子磁强计探头206的输出端连接，用于采集所述原子磁强计探头206探测的磁场信号。

本实施例中，每个所述原子磁强计探头206探测的磁场信号与每个所述原子磁强计探头206的空间位置信息，传输至每个所述信号采集处理模块。所述信号采集处理模块包括但不限于微控制单元(microcontrollerunit，mcu)、中央处理器(centerprocessorunit，cpu)、嵌入式微控制器(microcontrollerunit，mcu)、嵌入式微处理器(microprocessorunit，mpu)、嵌入式片上系统(systemonchip，soc)等。

请参阅图9，在一个实施例中，所述磁场成像系统200还包括磁场线圈驱动阵列203。所述磁场线圈驱动阵列203包括多个磁场控制锁相放大模块80。每个所述磁场控制锁相放大模块80与每个所述原子磁强计探头206对应设置，用于调控周围磁场，且将所述原子磁强计探头206探测的磁场信号进行锁相放大。

本实施例中，每个所述磁场控制锁相放大模块80包括所述信号发生模块810、所述移相模块820以及所述低通滤波模块830。通过所述信号发生模块810对某一方向的磁场进行调制。通过所述移相模块820与所述低通滤波模块830，对所述光电探测模块60探测的磁场信号进行锁相放大输出。具体调控过程可参考上述实施例。

因此，通过所述磁场线圈驱动阵列203可以产生一系列特定的输出波形，输入到所述原子磁强计探头206中的所述磁场调制线圈550与所述偏置磁场线圈560。从而，通过所述磁场线圈驱动阵列203驱动所需的二维磁场调制线圈和三维补偿线圈产生特定磁场，补偿所述原子气室510剩余磁场的影响。同时，通过所述磁场线圈驱动阵列203对探测的磁场信号进行锁相放大输出。

请参阅图9，在一个实施例中，所述磁场成像系统200还包括微控制模块205。所述微控制模块205分别与所述位置测量控制阵列207、所述信号采集处理阵列204、所述磁场线圈驱动阵列203以及所述温度控制阵列202连接，用于控制并进行磁场图像重建。

本实施例中，所述微控制模块205包括但不限于微控制单元(microcontrollerunit，mcu)、中央处理器(centerprocessorunit，cpu)、嵌入式微控制器(microcontrollerunit，mcu)、嵌入式微处理器(microprocessorunit，mpu)、嵌入式片上系统(systemonchip，soc)、计算机等。

通过所述微控制模块205输出调控时序，分别控制所述位置测量控制阵列207、所述信号采集处理阵列204、所述磁场线圈驱动阵列203以及所述温度控制阵列202。从而，通过所述微控制模块205实现对整个磁场成像系统的控制。其中，所述微控制模块205输出调控时序时，可以使用基于fpga的控制程序实现对温度控制、磁场调制、位置控制、信号采集与处理等过程的统一控制。

在一个实施例中，所述信号采集处理阵列204输出端与所述微控制模块205连接，用于将每个所述原子磁强计探头206探测的磁场信号与每个所述原子磁强计探头206的空间位置信息传输至所述微控制模块205。所述微控制模块205根据每个所述原子磁强计探头206探测的磁场信号，通过显示器呈现出重建的待测磁场图像。

因此，所述磁场成像系统200只采用一个所述激光光源10驱动多个所述原子磁强计探头206，有利于各个探头噪声的共模性，进行磁场信号差分处理。从而，通过差分处理获得共模噪声的抑制，可以有效地消除各个探头共模噪声，降低磁场图像的噪声。同时，所述磁场成像系统200根据磁场信号和位置信号的对应关系可以重建出高分辨率的磁场图像，且降低了系统成本。

可以理解，上述实施例中涉及到的模块还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其能够达到完成相对应的功能即可。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。