基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪及工作方法与流程

本发明属于量子磁探测领域，具体涉及基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪及工作方法。

背景技术：

1、氦原子光泵磁力仪以原子的塞曼效应为基础，结合光泵技术和磁共振技术可以实现磁场的精密测量，是研究及利用与磁场相关物理过程的一种重要手段，在磁性目标探测、地震预测、资源勘探、地质调查、生物医疗中有广泛的应用。

2、因为基于磁矩矢量模型的磁共振效应存在磁测盲区问题，而且基于磁矩张量共振模型的偏振面旋转降低了传感器的测量带宽问题，本发明主要针对利用调制光场强度代替交变磁场实现磁共振大带宽全向光泵磁力仪。

3、传统的氦原子光泵磁力仪系统存在探测盲区，研究发现，磁共振幅度(s1)与光量子轴和外磁场方向的夹角(β)有关，即：s1∝sin4β。可见在光量子轴与外磁场夹角为特定角度下，磁共振信号的幅值会很小，当β＝0°时系统完全丧失测磁能力，俗称死区。

4、如何解决传统的氦原子光泵磁力仪系统的探测死区问题，成为一个重要的研究课题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪，其包括：

2、氦原子谱灯，透镜，线偏振片，偏振分束器pbs，氦原子传感气室，四分之一波片，反射镜，传感泡激励电路，光电探测器，信号检测与控制电路，压控振荡器vco，光源激励电路；其中：

3、所述氦原子谱灯在激励电路的驱动下放电，作为氦光泵源发射光束；

4、所述的透镜用于将氦原子谱灯发出的光准直整形成为平行光；

5、所述的线偏振片用于将氦原子谱灯的光变为线偏振光；

6、所述的偏振分束器pbs用于控制不同偏振光的传播方向；

7、所述的氦原子气室内部充满高纯度氦原子，用于发生磁共振，感知待测磁场；

8、所述的四分之一波片用于使激光偏振由偏振面平行于纸面的线偏振变为左旋圆偏振；透过波片，垂直入射到反射镜，其反射光的偏振变为右旋圆，再次经过四分之一波片，变为偏振方向垂直于纸面的线偏振光，与相互垂直；

9、所述的反射镜用于使入射光原路反射；

10、所述的传感泡激励电路通过高压放电及产生高频信号，用于激发氦原子气室产生亚稳态氦原子；

11、所述的光电探测器用于将包含磁场信息的光信号转化为电信号；

12、所述的信号检测与控制电路用于对电信号进行处理，提取磁共振信号判断是否发生磁共振，获得待测磁场信息；

13、所述的压控振荡器vco用于接收信号检测与控制电路的电压信号，调节振荡器的振荡频率，给光源激励电路提供调制；

14、所述的光源激励电路，在vco的控制下，使谱灯发出光功率被调制的光。

15、优选的方案中，所述氦原子谱灯在激励电路的驱动下放电，作为氦光泵源发射波长为1083nm的光束。

16、优选的方案中，所述的光源激励电路，在vco的控制下，使谱灯发出光功率被调制的1083nm的光束。

17、本发明还提供基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪的工作方法，其包括如下的步骤：

18、s1、氦原子谱灯通过光源激励电路驱动放电，发射波长为1083nm的光束，经过透镜整形为平行光，经偏振片变为极化方向平行于纸面的线偏振光；

19、s2、偏振分束器pbs使平行纸面偏振的线偏振光按原方向传输，线偏振光进入氦原子气室发生使原子产生极化，并检测磁矩在磁场中演化；

20、s3、传感泡激励电路使位于原子气室的基态氦原子激发，产生亚稳态，与光相互作用；

21、s4、四分之一波片使得线偏振光变为左旋圆偏振光，经反射镜反射后，光束变为反向传播的右旋圆偏振光，再次经过四分之一波片，产生偏振方向垂直于纸面的线偏振光且与方向正交；使外界待测磁场方向无论发生何种变化，至少有一束光的极化方向与外磁场方向夹角满足测磁要求，不存在探测盲区；

22、s5、反射光束经过偏振分束器pbs后进入光电探测器，将包含磁场信息的光信号转化为电信号，并通过信号检测与控制电路，经放大和解调后，得到鉴频信号；

23、s6、调整压控振荡器vco的振荡频率，直至光源的调制频率于传感原子的拉莫尔频率相等为止，利用鉴频信号即可获得待测磁场信息；

24、s7、压控振荡器vco的振荡频率被信号检测与控制电路的电压信号控制，并通过光源激励电路驱动氦原子谱灯，使其发射的1083nm光功率产生调制。

25、本发明所达到的有益效果为：

26、本发明提供一种基于调制泵浦光强度的全向氦光泵磁力仪，不存在传统光泵磁力仪的探测盲区，在运动平台中无论磁传感器方向相对于外磁场方向如何变化，其均能进行磁场测量，避免死区导致的磁共振幅度消失问题。系统仅利用单个原子传感气室即可实现全向磁场测量，采用两束正交线偏振光束通过同一传感气室，降低了系统复杂度，适用于待测磁场方向不断变化场景。

技术特征：

1.基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪，其特征在于，其包括：

2.根据权利要求1所述的基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪，其特征在于：

4.如权利要求1-3任一所述的基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪的工作方法，其特征在于，其包括如下的步骤：

技术总结
本发明属于量子磁探测领域，提供基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪，包括氦原子谱灯，透镜，线偏振片，偏振分束器PBS，氦原子传感气室，四分之一波片，反射镜，传感泡激励电路，光电探测器，信号检测与控制电路，压控振荡器VCO，光源激励电路。本发明还提供基于光强调制线偏振光的全向光泵磁力仪的工作方法，解决了传统光泵磁力仪的探测盲区问题，在运动平台中无论磁传感器方向相对于外磁场方向如何变化，其均能进行磁场测量，避免死区导致的磁共振幅度消失问题。系统仅利用单个原子传感气室即可实现全向磁场测量，采用两束正交线偏振光束通过同一传感气室，降低了系统复杂度，适用于待测磁场方向不断变化场景。

技术研发人员：张军海,孙悦,李莉,宋晓林,潘睿元,任文冠,史钰峰
受保护的技术使用者：山东航天电子技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16