用于单通道SERF原子磁力仪的生物磁场自动测量装置及方法

本发明涉及光泵磁力仪，尤其涉及一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置及方法。

背景技术：

1、磁力仪是磁力测量仪器的统称。高灵敏度磁力测量技术在生物医学、地球物理、空间探索以及军事与国防等领域都有着广泛且重要的应用。光泵原子磁力仪是目前比较成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中，激光光泵原子磁力仪由于单色性好、选择特性优良等优势，能够极大程度地提升性能指标。

2、原子磁力仪在心脑磁测量、地磁测绘、军事领域等领域有重要的应用前景。碱金属原子自旋极化、磁共振和自旋检测是原子磁力仪中三个主要的物理过程。圆偏振激光与原子自旋的角动量传递使原子系综中的大量原子处于相同的自旋状态，宏观上表现为大量原子自旋具有一致的极化指向。碱金属原子自旋在外磁场中会绕磁场方向进动，进动频率ω＝γb0称为拉莫尔频率，其中：γ称为旋磁比，仅与碱金属原子的种类有关；b0表示外磁场的幅值。原子自旋进动会调制穿过原子介质的线偏振激光的偏振方向，通过测量线偏振探测光的偏振方向变化，就可以得到原子自旋的进动频率。如果在外磁场的垂直方向上施加交变激励磁场，当交变激励磁场的频率等于碱金属原子自旋的拉莫尔频率时，碱金属原子会发生磁共振效应。此时，原子介质对线偏振激光的调制强度最强，测量到的信号幅值达到最大值，利用共振点的探测光偏振调制频率就可以解算得到外磁场强度。为创造碱金属原子介质的磁共振条件，需要在拉莫尔频率附近扫描交变激励磁场的频率，扫描周期决定了原子磁力仪的测量速度。一般测量方法是设定起始频率和终止频率，以固定步长改变交变激励磁场的频率，根据共振曲线拟合得到峰值频率。当待测磁场未知或磁场幅值变化时，传统频率扫描方法磁场测量效率低、采样率难以满足实际需求，限制了原子磁力仪在大量程、高动态场景中的应用。

3、由于目前现有的磁力仪都是对待测物体的单一位置进行测量，想要对同一待测物体的不同位置进行测量，就需要每测量完一次，把待测物体取出改变位置后固定再进行测量，过程比较繁琐，需要消耗大量的时间，每次重新放置位置也可能导致位置放置不准确，最终导致测量结果不准确，形成误差。

技术实现思路

1、为克服上述问题，本发明提供一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置及方法。

2、本发明的第一个方面提供一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，包括激光发生装置、探测光路、设置在探测光路上的原子吸收气室、设置在探测光路上且位于原子吸收气室后方的单通道光电探测器、以及位于原子吸收气室正上方的自动移动测量平台；

3、所述激光发生装置发出初始线偏振激光，激光发生装置包括激光器，激光器发射激光光束；激光光束依次经过第一个四分之一波片、第一个偏振分光棱镜后调整光强；调整光强后的激光光束经过两面反射镜后、再经过第二个偏振分光棱镜射出，并依次通过第二个四分之一波片、二分之一波片进入第一光纤耦合器，光纤耦合器将线偏振光耦合进保偏光纤跳线中，形成初始线偏振激光，初始线偏振激光通过光纤接入探测光路；

4、所述探测光路包括沿光路依次设置的第二光纤耦合器、光纤头、平凸透镜、圆偏振片、鲍威尔棱镜和柱透镜，所述初始线偏振激光依次经过第二光纤耦合器、光纤头入射平凸透镜，平凸透镜消除入射光的发散角，并使出射平凸透镜的出射光的发散角尽可能的小，形成线偏振的点光斑；线偏振的点光斑通过圆偏振片，形成圆偏振光；圆偏振光经过鲍威尔棱镜得到均匀的线状光；线状光经过柱透镜，柱透镜将线状光整形为范围内可用的平行光；所述探测光路外设置三轴线圈，三轴线圈消除环境中的外部磁场；所述探测光路设置于原子气室的y方向，将圆偏振线状激光打入原子吸收气室；

5、所述圆偏振线状激光经过原子吸收气室继续传播至单通道光电探测器，原子自旋进动会调制穿过原子介质的偏振激光的偏振方向，单通道光电探测器接收到的所述探测光路的光信号发生改变，电流信号随之变化；

6、所述自动移动测量平台设置在原子吸收气室z方向，自动移动测量平台上放置磁化过的待测物体；所述探测光路的激光经过原子吸收气室，光信号传播至单通道光电探测器，转化为电流信号，电流信号随着待测物体内磁性物质的变化而发生改变。

7、进一步，所述自动移动测量平台呈矩形板状，自动移动测量平台上设有用于放置待测物体的凹槽；自动移动测量平台的底部两侧设置有沿原子吸收气室x轴方向延伸的直线导轨，自动移动测量平台的一端通过螺纹孔连接有一根无磁的控制杆，控制杆与电动推杆连接，通过电动推杆控制自动移动测量平台在原子吸收气室x轴方向上的移动。

8、进一步，所述激光器中心波长为795nm。

9、进一步，所述保偏光纤跳线是780nm的熊猫型保偏光纤跳线。

10、进一步，所述光电探测器后方设有功率放大装置，电流信号经过功率放大装置转化为电压信号并锁相放大。

11、进一步，所述探测光路集成在磁屏蔽桶内。

12、本方面的第二个方面提供一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置的测量方法，包括以下步骤：

13、(1)将待测物体固定于原子吸收气室正上方的自动移动测量平台上；

14、(2)所述探测光路的激光经过原子吸收气室，光信号传播至光电探测器，转化为电流信号，信号随着待测物体体内磁性物质的变化而发生改变。

15、本发明的有益效果是：

16、1.单通道serf原子磁力仪具有很高的灵敏度，可以有效探测微弱的磁场变化，有利于实时探测到待测物体内磁性物质的缓慢变化。

17、2.单通道serf原子磁力仪的自动移动测量装置可以同时对待测物体的多个位置同时进行探测，提高了效率，进一步提高了探测的灵敏度并且得到更全面的待测物体内磁性物质变化过程的数据。

18、3.单通道serf原子磁力仪的自动移动测量装置可以获取待测物体不同空间位置上的磁场分布数据，为实现待测物体的磁重构提供源数据。

技术特征：

1.一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：包括激光发生装置、探测光路、设置在探测光路上的原子吸收气室、设置在探测光路上且位于原子吸收气室后方的单通道光电探测器、以及位于原子吸收气室正上方的自动移动测量平台；

2.如权利要求1所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：所述自动移动测量平台呈矩形板状，自动移动测量平台上设有用于放置待测物体的凹槽；自动移动测量平台的底部两侧设置有沿原子吸收气室x轴方向延伸的直线导轨，自动移动测量平台的一端通过螺纹孔连接有一根无磁的控制杆，控制杆与电动推杆连接，通过电动推杆控制自动移动测量平台在原子吸收气室x轴方向上的移动。

3.如权利要求1所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：所述激光器中心波长为795nm。

4.如权利要求1所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：所述保偏光纤跳线是780nm的熊猫型保偏光纤跳线。

5.如权利要求1所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：所述光电探测器后方设有功率放大装置，电流信号经过功率放大装置转化为电压信号并锁相放大。

6.如权利要求1所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，其特征在于：所述探测光路集成在磁屏蔽桶内。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种用于单通道serf原子磁力仪的生物磁场自动测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种用于单通道SERF原子磁力仪的生物磁场自动测量装置，包括激光发生装置、探测光路、原子吸收气室、单通道光电探测器、以及自动移动测量平台；激光发生装置发出初始线偏振激光，所述探测光路将沿光轴方向传播的初始线偏振激光转换为圆偏振光，通过鲍威尔棱镜形成光密度均匀、稳定性好的一条直线状光束，所形成的直线状光束通过柱透镜，穿过气室继续传播；自动移动测量平台用于放置待测物体，探测光路的光信号传播至单通道光电探测器，转化为电信号。本发明还提供用于单通道SERF原子磁力仪的生物磁场自动测量装置的测量方法。本发明提高了探测的灵敏度并且得到更全面的待测物体内磁性物质变化过程的数据。

技术研发人员：阮乂,陈玉海,李衎,郑文强,林强,傅学智,雷团
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15