一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列

本发明涉及光学技术和磁场测量，特别是一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，通过将激光器的光分成多束，实现对多个原子磁强计的抽运检测，可同时测量多个位置的磁场信号，且使原子磁强计阵列更加集成紧凑。

背景技术：

1、随着量子传感技术的发展，基于磁、光与原子相互作用的原子磁强计为非侵入式功能性神经影像学提供了变革性的测量手段。其中，无自旋交换弛豫(spin-exchangerelaxation-free,serf)原子磁强计凭借超高灵敏度和可穿戴的柔性配置优势，有望取代超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device,squid)磁强计，成为下一代新型脑磁图成像医疗装备，解决传统测量手段难以实现的微弱神经信号的精确测量问题，为神经科学和脑科学研究开辟新的方法。serf原子磁强计作为脑磁图仪的核心传感器，其小型化和集成度决定着可测量的磁场信号区域范围的广泛性。传统的分光系统主要通过集成分束器实现，其有着体积大，占用空间多，需要大量光纤等缺点，对原子磁强计阵列的集成化带来了诸多的不便与障碍。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的缺陷或不足，提供一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，利用表面浮雕光栅体积小，衍射效率高，易集成等特点，可轻易实现光束的偏转与分离，通过同时对多个磁强计光抽运，能够使原子磁强计阵列更加集成紧凑。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，包括在原子气室阵列与激光光源之间设置的表面浮雕光栅结构，所述表面浮雕光栅结构包括耦入光栅区域、波导区域和耦出光栅区域，所述耦入光栅区域接收来自所述激光光源的单束椭圆偏振光入射光束，所述单束椭圆偏振光入射光束透过所述耦入光栅区域后在所述波导区域以连续反射方式到达所述耦出光栅区域的第一节点，所述第一节点将所述单束椭圆偏振光入射光束分成第一椭圆偏振光出射光束和波导内第一反射光束，所述第一反射光束到达所述耦出光栅区域的第二节点，所述第二节点将所述第一反射光束分成第二椭圆偏振光出射光束和波导内第二反射光束，以此类推直至形成与所述原子气室阵列相匹配的椭圆偏振光出射光束阵列。

4、所述原子气室阵列包括第一碱金属原子气室，第二碱金属原子气室，和第三碱金属原子气室，所述椭圆偏振光出射光束阵列包括第一椭圆偏振光出射光束，第二椭圆偏振光出射光束，和第三椭圆偏振光出射光束，所述第一碱金属原子气室位于第一无磁电加热膜内，所述第一无磁电加热膜位于第一磁场线圈内，所述第二碱金属原子气室位于第二无磁电加热膜内，所述第二无磁电加热膜位于第二磁场线圈内，所述第三碱金属原子气室位于第三无磁电加热膜内，所述第三无磁电加热膜位于第三磁场线圈内，所述第一椭圆偏振光出射光束穿越所述第一碱金属原子气室后通过第一光电探测器连接锁相放大器第一输入端，所述第二椭圆偏振光出射光束穿越所述第二碱金属原子气室后通过第二光电探测器连接锁相放大器第二输入端，所述第三椭圆偏振光出射光束穿越所述第三碱金属原子气室后通过第三光电探测器连接锁相放大器第三输入端，所述锁相放大器的输出端通过信号发生器分别连接第一磁场线圈、第二磁场线圈和第三磁场线圈。

5、所述原子气室阵列、所述激光光源、所述表面浮雕光栅结构、第一至第三磁场线圈、以及第一至第三光电探测器均位于磁屏蔽舱内，所述锁相放大器和所述信号发生器均位于磁屏蔽舱外。

6、耦入光栅和耦出光栅的纵截面为倾斜的平行四边形，且耦入光栅与耦出光栅的倾斜方向相反，耦入光栅区域和耦出光栅均由凸起部分和凹陷部分交替周期性排列组成，设光栅周期为d，光栅厚度为b，光栅凸起部分长度为n，光栅凹陷部分长度为m，则d＝m+n；m＝n。

7、光栅周期d为d＝750nm，光栅厚度b为b＝780nm，光栅倾斜角θ为θ＝60°。

8、所述表面浮雕光栅结构的材料为sio2，折射率为1.54。

9、所述信号发生器产生正弦波或方波电压信号作用于磁场线圈，进而对原子气室中的外围磁场进行调制，被调制后的原子自旋信号因受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束吸收光强产生变化，反映在光电探测器探测到的电信号中，光电探测器输出的电信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入锁相放大器。

10、无磁电加热膜用于对原子气室加热以提高气室内原子数密度，磁屏蔽舱用于屏蔽外部磁场，磁场线圈用于产生三个正交方向磁场以使气室内部磁场补偿至零磁环境，从而降低原子弛豫，激光光源的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁环境时，对外部磁场变化敏感，使椭圆偏振光通过碱金属原子气室的光束线偏振方向产生光强变化，通过光强变化大小与磁场大小成一定关系获得磁场大小信息。

11、本发明的技术效果如下：本发明一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，利用表面浮雕光栅衍射效率高，体积小等优势，将一束激光分成多束光同时抽运检测原子磁强计阵列的各个磁强计，能够减小整个磁强计阵列的空间，提高系统集成度，同时还可以起到节约光纤的作用，有利于在心脑磁测量中发挥重要作用。

技术特征：

1.一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，包括在原子气室阵列与激光光源之间设置的表面浮雕光栅结构，所述表面浮雕光栅结构包括耦入光栅区域、波导区域和耦出光栅区域，所述耦入光栅区域接收来自所述激光光源的单束椭圆偏振光入射光束，所述单束椭圆偏振光入射光束透过所述耦入光栅区域后在所述波导区域以连续反射方式到达所述耦出光栅区域的第一节点，所述第一节点将所述单束椭圆偏振光入射光束分成第一椭圆偏振光出射光束和波导内第一反射光束，所述第一反射光束到达所述耦出光栅区域的第二节点，所述第二节点将所述第一反射光束分成第二椭圆偏振光出射光束和波导内第二反射光束，以此类推直至形成与所述原子气室阵列相匹配的椭圆偏振光出射光束阵列。

2.根据权利要求1所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，所述原子气室阵列包括第一碱金属原子气室，第二碱金属原子气室，和第三碱金属原子气室，所述椭圆偏振光出射光束阵列包括第一椭圆偏振光出射光束，第二椭圆偏振光出射光束，和第三椭圆偏振光出射光束，所述第一碱金属原子气室位于第一无磁电加热膜内，所述第一无磁电加热膜位于第一磁场线圈内，所述第二碱金属原子气室位于第二无磁电加热膜内，所述第二无磁电加热膜位于第二磁场线圈内，所述第三碱金属原子气室位于第三无磁电加热膜内，所述第三无磁电加热膜位于第三磁场线圈内，所述第一椭圆偏振光出射光束穿越所述第一碱金属原子气室后通过第一光电探测器连接锁相放大器第一输入端，所述第二椭圆偏振光出射光束穿越所述第二碱金属原子气室后通过第二光电探测器连接锁相放大器第二输入端，所述第三椭圆偏振光出射光束穿越所述第三碱金属原子气室后通过第三光电探测器连接锁相放大器第三输入端，所述锁相放大器的输出端通过信号发生器分别连接第一磁场线圈、第二磁场线圈和第三磁场线圈。

3.根据权利要求2所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，所述原子气室阵列、所述激光光源、所述表面浮雕光栅结构、第一至第三磁场线圈、以及第一至第三光电探测器均位于磁屏蔽舱内，所述锁相放大器和所述信号发生器均位于磁屏蔽舱外。

4.根据权利要求1所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，耦入光栅和耦出光栅的纵截面为倾斜的平行四边形，且耦入光栅与耦出光栅的倾斜方向相反，耦入光栅区域和耦出光栅均由凸起部分和凹陷部分交替周期性排列组成，设光栅周期为d，光栅厚度为b，光栅凸起部分长度为n，光栅凹陷部分长度为m，则d＝m+n；m＝n。

5.根据权利要求1所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，光栅周期d为d＝750nm，光栅厚度b为b＝780nm，光栅倾斜角θ为θ＝60°。

6.根据权利要求1所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，所述表面浮雕光栅结构的材料为sio2，折射率为1.54。

7.根据权利要求2所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，所述信号发生器产生正弦波或方波电压信号作用于磁场线圈，进而对原子气室中的外围磁场进行调制，被调制后的原子自旋信号因受到环境磁场影响，环境磁场变化引起光束吸收光强产生变化，反映在光电探测器探测到的电信号中，光电探测器输出的电信号经过跨阻放大器进行信号放大后输入锁相放大器。

8.根据权利要求2所述的基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，其特征在于，无磁电加热膜用于对原子气室加热以提高气室内原子数密度，磁屏蔽舱用于屏蔽外部磁场，磁场线圈用于产生三个正交方向磁场以使气室内部磁场补偿至零磁环境，从而降低原子弛豫，激光光源的波长处在碱金属原子共振频率附近，通过光抽运作用使碱金属原子极化，极化后的碱金属原子处在零磁环境时，对外部磁场变化敏感，使椭圆偏振光通过碱金属原子气室的光束线偏振方向产生光强变化，通过光强变化大小与磁场大小成一定关系获得磁场大小信息。

技术总结
一种基于表面浮雕光栅分光的原子磁强计阵列，利用表面浮雕光栅衍射效率高，体积小等优势，将一束激光分成多束光同时抽运检测多个磁强计，能够减小整个磁强计阵列的空间，提高系统集成度，有利于在心脑磁测量中发挥重要作用，其特征在于，表面浮雕光栅结构包括耦入光栅区域、波导区域和耦出光栅区域，单束椭圆偏振光入射光束透过所述耦入光栅区域后在波导区域以连续反射方式到达耦出光栅区域的第一节点，第一节点将其分成第一椭圆偏振光出射光束和波导内第一反射光束，第一反射光束到达耦出光栅区域的第二节点，第二节点将其分成第二椭圆偏振光出射光束和波导内第二反射光束，以此类推直至形成与原子气室阵列相匹配的椭圆偏振光出射光束阵列。

技术研发人员：柴真,裴于卓,全伟
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15