一种基于单光源的三轴地磁矢量原子磁力计

1.本发明属于量子精密测量和光纤传感领域，特别涉及一种基于单光源的三轴矢量原子磁力计，适用于原子物理基础实验、生物医学、地磁勘探等应用领域。


背景技术：

2.随着科技的进步，人们的需求也日益增加，比如定位、导航、生物医疗等。磁场作为一个矢量场，天生具有方向信息，通过对磁场的三轴信息进行测量，就可以实现定位导航以及心脑磁测量等功能，且该测量过程具有无损、实时、被动测量等特性。无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free,serf)原子磁力计作为目前最为灵敏的磁场测量设备，自2003年普林斯顿大学报道以来就备受人们的关注；其不仅具有探测灵敏度高、体积小、功耗低等优点，而且矢量磁力计的特性也使得其具有三轴测量的可能。
3.然而，目前serf原子磁力计依然存在问题：第一，受限于其零磁场工作条件，只能工作在磁屏蔽环境中，从而导致其动态范围小，仅为10nt；第二，三轴测量装置复杂，一般采用双光源甚至三光源。因此，实现一种动态范围大、灵敏度高、结构简单的三轴地磁矢量原子磁力计，对于地磁导航、生物医疗等应用领域有着重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有原子磁力计对泵浦光方向磁场不敏感以及动态范围小等问题、提供一种基于单传感光源的三轴地磁矢量原子磁力计，该装置采用一体化v型槽、光纤准直头、1/4波片、三轴线圈、分束棱镜构成的单光源正交泵浦结构，利用单传感光源分束的方式实现单光源正交泵浦，从而实现三轴测量；此外，利用三轴线圈高均匀性的特点，结合磁场调控反馈实现精密闭环控制，从而使得serf原子磁力计可工作在大动态范围之下。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于单光源的三轴地磁矢量原子磁力计，包括：光源模块、三轴一体化传感模块于磁场调控驱动及信号处理模块，其中，光源模块输出线偏振泵浦激光至三轴一体化传感模块，三轴一体化传感模块输出电路信号至磁场调控驱动及信号处理模块；其特征在于，
7.所述三轴一体化传感模块包括：一体化v型槽3、光纤准直头4、1/4波片5、三轴线圈6、分束棱镜7、2个无磁加热结构8、2个原子气室9与2个光电探测器10，其中，线偏振泵浦激光经过光纤准直头传输至1/4波片，由1/4波片转换得到圆偏振泵浦激光、并传输至分束棱镜，分束棱镜将圆偏振泵浦激光分为振幅相等、传播方向正交的两束圆偏振泵浦激光，两束圆偏振泵浦激光分别入射到原子气室，透射过原子气室的光信号由光电探测器进行探测并转化为电流信号；所述三轴线圈用于产生调制磁场和补偿磁场，所述无磁加热结构用于对原子气室进行加热。
8.进一步的，所述三轴一体化传感模块中，原子气室中填充有碱金属原子、缓冲气体以及淬灭气体，碱金属原子为钾、铷或铯，缓冲气体为氦气，淬灭气体为氮气。
9.进一步的，所述三轴一体化传感模块中，无磁加热结构包括：加热片与热敏电阻，加热片贴附于原子气室外表面，热敏电阻用于监测原子气室的温度并实时反馈、以实现原子气室内工作温度的反馈控制。
10.进一步的，所述三轴一体化传感模块中，一体化v型槽用于安置光纤准直头，并保证光纤准直头轴线与一体化v型槽表面平行、且一体化v型槽表面与分束棱镜处于同一水平线。
11.进一步的，所述三轴一体化传感模块中，三轴线圈由三对相互正交的亥姆霍兹线圈组成，所述原子气室位于三轴线圈内。
12.进一步的，所述光源模块包括：激光器1与单模保偏光纤2，激光器发出特定频率和功率的泵浦激光、并经过单模保偏光纤传输至三轴一体化传感模块，所述泵浦激光的频率与原子气室内碱金属原子的跃迁频率共振。
13.进一步的，所述磁场调控驱动及信号处理模块包括：跨阻放大器11、加法器12、锁相放大器13、fpga模块14及精密电流源15；其中，跨阻放大器将三轴一体化传感模块输出的电流信号转变为电压信号并进行放大处理、再输入到锁相放大器中进行解调处理，锁相放大器产生的调制信号经加法器叠加输入到三轴线圈上、以实现磁场调制功能，锁相放大器的另一路同相输出信号输入到fpga模块中、通过fpga模块对精密电流源进行反馈控制，精密电流源产生的电流信号通过加法器输入到三轴线圈上、以实现磁场补偿功能。
14.更进一步的，fpga模块对精密电流源进行反馈控制的具体过程为：精密电流源初始输出最大量程一半大小的电流信号，fpga模块根据锁相放大器输出电压信号的绝对值进行判决：绝对值增大则判定为补偿过度，fpga模块减小精密电流源输出电流信号，减小量为当前电流信号的一半；绝对值减小则判定为补偿不足，fpga模块增大精密电流源输出电流信号，增大量为当前电流信号的一半。
15.更进一步地，锁相放大器包括：乘法器电路、低通滤波电路，经跨阻放大器输入的电压信号与锁相放大器自身参考信号进行相乘处理，再通过低通滤波电路进行滤波处理，从而实现待测磁场解调。
16.区别于现有技术，本发明的有益效果在于：
17.(1)本发明提出的单光源三轴地磁矢量原子磁力计，通过分束棱镜分束的方式，将一束泵浦光分为振幅相同、方向正交的两束泵浦光，实现了单光源正交泵浦的功能，在保证三轴测量功能的同时降低了系统的复杂性；
18.(2)本发明提出的单光源三轴地磁矢量原子磁力计，通过设计一组补偿范围大、噪声低、精度高、均匀性好的三轴线圈系统，将外界磁场环境补偿至serf磁力计工作范围，提高了serf磁力计的动态范围，可实现地磁环境下工作；
19.(3)本发明提出的单光源三轴地磁矢量原子磁力计，通过磁场调控的方式，采用pid闭环反馈技术，提高系统测磁稳定性和精确度；
20.(4)本发明提出的单光源三轴地磁矢量原子磁力计，通过单模光纤进行传输，相比于空间光传输，降低了光源的偏振噪声，并且易于集成。
附图说明
21.图1为本发明的单光源三轴地磁矢量原子磁力计系统结构示意图；
22.图2为本发明的集成化单光源正交泵浦结构示意图；
23.图3为本发明的大动态范围剩磁消除方法流程图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
25.本实施例提供一种单光源三轴地磁矢量原子磁力计，其具有测磁灵敏度高、动态范围大以及三轴磁场测量等优点，结构简单且易于集成，利于工程化和小型化；具体结构如图1所示，包括：光源模块、三轴一体化传感模块以及磁场调控驱动及信号处理模块；具体的：
26.所述光源模块包括：激光器1与单模保偏光纤2，激光器1用于产生特定频率和功率的激光，可选地，该频率与原子气室内碱金属原子的跃迁频率共振；单模保偏光纤2用于传输激光，并保证其线偏振特性不变；即光源模块输出线偏振泵浦激光至三轴一体化传感模块；
27.所述三轴一体化传感模块包括：一体化v型槽3、光纤准直头4、1/4波片5、三轴线圈6、分束棱镜7、2个无磁加热结构8、2个原子气室9和2个光电探测器10，其中，所述一体化v型槽3采用高精度机械加工制作而成，用于安置光纤准直头4，并保证光纤准直头轴线与一体化v型槽表面平行、且一体化v型槽表面与分束棱镜7处于同一水平线；所述光纤准直头4用于准直传输过来的泵浦激光，其点精度优于0.05
°
；所述1/4波片5用于转换传输过来的泵浦激光的偏振状态，可选地，将线偏振光转变为圆偏振光；所述三轴线圈6由三对相互正交的线圈组成，可选地，该线圈为亥姆霍兹线圈，用于产生调制磁场和补偿磁场；
28.所述分束棱镜7为偏振无关分束器，用于将传输过来的激光分为两束振幅相等、传播方向正交的两束圆偏振泵浦激光，可选地，分束棱镜位于三轴线圈内部；两束圆偏振泵浦激光分别入射到原子气室8；巧妙地利用分束镜的分束功能，实现了单传感光源正交泵浦的功能，该圆偏振光具有以下两个作用：第一，极化两个原子气室9内部的碱金属原子；第二，作为探测光探测原子自旋在外磁场作用下的变化；
29.所述原子气室9内部填充有碱金属原子、缓冲气体以及淬灭气体；可选地，碱金属原子种类为钾、铷、铯，缓冲气体一般为氦气，淬灭气体一般为氮气；serf原子磁力计的一个特点是碱金属原子工作在高温条件下，此时原子自旋交换弛豫机制受到抑制，原子共振线宽更窄，系统灵敏度更高；所述无磁加热结构8用于实现加热功能，包括：加热片与热敏电阻，加热片紧贴于原子气室9外表面、用于加热且不引入磁场噪声，热敏电阻用于监测原子气室9温度并实时反馈、以实现原子气室内工作温度的精密控制；所述光电探测器10用于探测透射过原子气室9的光信号并转化为电流信号；
30.所述磁场调控驱动及信号处理模块包括：跨阻放大器11、加法器12、锁相放大器13、fpga模块14及精密电流源15；其中，跨阻放大器11将电流信号转变为电压信号并进行放大处理，之后输入到锁相放大器13中进行解调处理；锁相放大器13产生的调制信号经加法器12叠加输入到三轴线圈6上，从而实现磁场调制功能，且该调制信号的频率作为锁相解调参考频率；锁相放大器13的另一路同相输出信号输入到fpga模块14中，通过fpga模块14对精密电流源15进行反馈控制；精密电流源15产生的电流信号通过加法器12输入到三轴线圈
6上，从而实现磁场补偿功能；该反馈功能通过控制三轴线圈6的补偿磁场，从而实现外界磁场消除功能，保证碱金属原子处于零磁场环境，实现三轴磁场闭环输出。
31.进一步的，从工作原理上讲：serf原子磁力计通过测量原子自旋横向极化来测量磁场，导致其对泵浦光方向的磁场并不敏感；一般需要采用多泵浦光源的方案来解决该问题，但这会进一步造成结构复杂且增加激光器成本；此外，多泵浦光源方案的三轴正交度并不好，极大程度上降低了测量准确性；因此，本发明采用一体化v型槽3、光纤准直头4、1/4波片5、三轴线圈6、分束棱镜7构成一种单光源正交泵浦结构，如图2所示，该结构正交度好且结构简单，成本较低。本实施例中光纤准直头直径为3mm，1/4波片的表面积为4mm
×
4mm；分束棱镜的表面尺寸为5mm
×
5mm，且分束棱镜的分束面与光纤准直头轴线呈45
°
、以保证两束圆偏振光的正交度优于0.05
°
；原子气室表面积为4mm
×
4mm。
32.进一步的，零磁工作状态是serf原子磁力计的一个典型特点，为使serf磁力计的动态范围增大，需对外界环境磁场进行补偿消除；因此，本实施例还提供一种大量程磁场消除方法，即fpga模块对精密电流源进行反馈控制过程，如图3所示，具体为：精密电流源初始输出最大量程一半大小的电流信号，fpga模块根据锁相放大器输出电压信号的绝对值进行判决：
33.绝对值增大则判定为补偿过度，fpga模块减小精密电流源输出电流信号，减小量为当前电流信号的一半；
34.绝对值减小则判定为补偿不足，fpga模块增大精密电流源输出电流信号，增大量为当前电流信号的一半；
35.本实施例中，为提高系统磁场补偿的精度，精密电流源15输出电流稳定度优于0.01％；fpga模块中驱动电路采用20位da芯片，最大驱动电压范围为
±
5v。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。