集成小型化原子磁力仪及其无磁VCSEL激光模块的制作方法

集成小型化原子磁力仪及其无磁vcsel激光模块
技术领域
1.本发明属于vcsel激光驱动与量子精密测量技术领域，具体涉及一种无磁的vcsel激光芯片的驱动方法与小型化原子磁力仪的设计。尤其是涉及一种无磁的vcsel激光模块，以及应用该无磁vcsel激光模块的集成小型化原子磁力仪。


背景技术：

2.随着光学器件不断向微型化、集成化的发展，垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lase)，因其具备的窄线宽、低功耗、高调制速、体积小、易集成化等一系列优点逐渐被人们广泛关注。广泛应用在小型化原子磁力仪、原子钟、原子陀螺仪等新型量子传感器领域。这些量子精密测量仪器在国防、生物医学、地理勘探等领域均有广阔的应用前景。
3.例如采用小型化vcsel激光器研制的光学原子磁力仪能够在室温下实现多通道心磁图(mcg)及脑磁图(meg)的测量，比传统的超导磁力仪体积更小，单位体积内能够容纳更多的通道。通常vcsle激光器都采用的是有磁封装，对测量有一定的干扰。无磁封装及其驱动技术的vcsel激光方案可提高这些量子传感器的精度，抗干扰能力，及环境适应能力。
4.vcsel激光器需要工作在一定电流和一定温度的环境中，通常是通过一个高精度的电流源和半导体制冷器(thermo electric cooler，tec)控制激光芯片的温度，利用热敏电阻检测激光芯片附近的温度，通过外围反馈环路及tec对vcsel激光芯片进行加热或者制冷，这种方案的优势是能够快速并准确的将激光芯片附近温度控制在工作点附近，但是热敏电阻通常与激光芯片放置的位置有一定距离，并不能够真实反映激光芯片当前的工作温度，二者存在一定的温差和时间延迟。此外tec工作时候会产生较大磁场，为了减少激光芯片工作时候产生的剩磁干扰，普遍做法是增加激光芯片与后部测量器件距离，或者采用磁屏蔽的方式降低激光模块的剩磁影响。


技术实现要素：

5.为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种集成小型化原子磁力仪及其无磁vcsel激光模块，提出一种基于无磁vcsel激光的加热系统，避免器件本身带有一定磁场会直接影响原子磁力仪的灵敏度并干扰测量结果。减小激光器模块体积，减小集成原子磁力仪的体积，提高原子磁力仪、原子钟、原子陀螺等量子精密测量传感器的灵敏度。
6.为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
7.一种无磁vcsel激光模块，包括：
8.用于产生激光的vcsel芯片；
9.用于维持vcsel芯片的工作温度的加热线圈；
10.用于驱动vcsel芯片工作的电流源；
11.信号源和功率放大器；
12.所述信号源输出交流信号经过可调节放大倍率的功率放大器放大后输出至加热
线圈完成vcsel芯片升温；
13.还包括pid控制器；通过检测vcsel芯片输入电流两端电压或者通过检测加热线圈两端电压，结合pid控制器反馈控制功率放大器实现vcsel芯片温度控制。
14.这样，通过加热线圈的电阻和/或vcsel芯片的电压进行测温，替换了激光模块中原有的热敏电阻或者热电偶模块，不再保留引入剩余磁场的元器件，避免了器件本身带有一定磁场直接影响原子磁力仪的灵敏度并干扰测量结果。
15.作为优选，所述vcsel芯片和加热线圈设置在同一硅基片上。
16.作为优选，还包括加热线圈参数监控模块，加热线圈参数监控模块检测加热线圈两端电压变化并输出数据到第一pid控制器，第一pid控制器根据加热线圈的电压与温度对应关系控制功率放大器实现vcsel芯片温度控制。
17.作为优选，加热线圈的电压与温度对应关系通过提前测量获取，并作为函数预先输入第一pid控制器；第一pid控制器根据目标温度值与实际温度值的误差信号，控制功率放大器的输出功率大小，从而稳定硅基片和vcsel激光芯片的温度。
18.作为优选，还包括vcsel芯片电压监控模块，vcsel芯片电压监控模块检测vcsel芯片输入电流两端电压并输出数据到第二pid控制器，第二pid控制器根据vcsel芯片的电压与温度对应关系控制功率放大器实现vcsel芯片温度控制。
19.作为优选，vcsel芯片的电压与温度对应关系通过提前测量获取，并作为函数预先输入第二pid控制器；第二pid控制器根据目标温度值与实际温度值的误差信号，控制功率放大器的输出功率大小，从而稳定vcsel激光芯片的温度。
20.作为优选，加热线圈通过两层蛇形走线方式设置在硅基片上，相邻两层走线的电流流向相反；加热线圈和vcsel芯片彼此电绝缘，vcsel芯片设置在加热线圈中间。
21.一种基于无磁vcsel激光芯片的集成小型化原子磁力仪，包括原子磁力仪集成模块，原子磁力仪集成模块上设置如上所述的无磁vscel激光模块，以及准直模块、偏振控制模块、原子气室保温层、三轴磁场线圈、带有加热系统的原子气室、原子磁力仪光路和光电探测器。
22.本发明由于采用了以上的技术方案，利用加热线圈的电阻或者激光芯片的工作电压作为误差信号，并通过第一反馈环路和第二反馈环路或者单独某一反馈环路对激光温度进行控制。这样避免了器件本身带有一定磁场会直接影响原子磁力仪的灵敏度并干扰测量结果。减小了激光器模块体积和集成原子磁力仪的体积，可以提高原子磁力仪、原子钟、原子陀螺等量子精密测量传感器的灵敏度。
附图说明
23.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
24.图1为本发明基于无磁vcsel激光器集成的小型化原子磁力仪系统的示意图；
25.图2为本发明无磁vcsel激光模块的示意图；
26.图3为本发明vcsel芯片和加热线圈在硅基片上的示意图。
27.其中，1、原子磁力仪集成模块；2、无磁vscel激光模块；3、准直模块；4、偏振控制模块；5、原子气室保温层；6、三轴磁场线圈；7、带有加热系统的原子气室；8、原子磁力仪光路；
9、光电探测器；
28.201、vcsel芯片；202、加热线圈；203、硅基片；204、加热线圈参数监控模块；205、第一pid控制器；206、vcsel芯片电压监控模块；207、第二pid控制器；208、功率放大器；209、信号源；210、电流源。
具体实施方式
29.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
30.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，除非上下文另有明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.实施例1：
38.如图1所示的一种基于无磁vcsel激光芯片的集成小型化原子磁力仪，包括原子磁力仪集成模块1，无磁vscel激光模块2、准直模块3、偏振控制模块4、原子气室保温层5、三轴
磁场线圈6、带有加热系统的原子气室7、原子磁力仪光路8和光电探测器9设置在原子磁力仪集成模块1中。
39.无磁vscel激光模块2输出稳定的铷原子d1线激光，其功率》200μw，经准直模块3，如直径为6.6mm的非球面透镜，可将发散光斑整形为均匀准直的圆形或椭圆形光斑；经偏振控制模块4，如5mm
×
5mm宽带圆偏振片，将出射激光偏振调整为准直的圆偏振光，所述准直圆偏振光入射已经升温的铷原子气室，如5mm
×
5mm
×
5mm的饱和铷蒸汽室，并与铷原子相互作用；三轴磁场线圈6可通过柔性线路板(fpc)打印设计完成，用于补偿原子气室部分三轴磁场并可根据原子磁力仪原理独立在三方向上叠加一定频率的交流射频调制场；所述准直的圆偏振光最终入射光电检测器9。所述无磁vcsel激光模块2输出的d1线激光可极化铷原子，当垂直光方向的外磁场变化时，铷原子极化矢量会发生变化，从而影响铷原子对激光的吸收，通过光电检测器9可获取铷原子对光吸收的变化规律，从而解调出外磁场变化实现磁场测量。上述设计可紧凑集成为17mm
×
15mm
×
12mm的小型化原子磁力仪。
40.本实施例优选，所述无磁vcsel激光模块2均采用耐高温的塑料连接在原子磁力仪集成模块1上，其中加热导线，温度测试导线，pd接收导线均为fpc且均集成到电路板上。
41.如图2所示，所述无磁vcsel激光模块2，包括vcsel芯片201、加热线圈202、硅基片203、加热线圈参数监控模块204、第一pid控制器205、功率放大器208、第二pid控制器207、vcsel芯片电压监控模块206、信号源209和精密电流源210。
42.所述无磁vcsel激光模块2中，精密电流源210用于产生合适的高精度电流驱动vcsel激光芯片201工作，其大小约为2ma；所述vcsel芯片201的作用是产生稳定功率固定波长的铷原子d1线激光；所述加热线圈202用于维持vcsel激光芯片的工作温度稳定；所述信号源209输出交流信号经过可调节放大倍率的功率放大器208放大后输出至加热线圈完成硅基片203与vcsel激光芯片201升温；所述加热线圈参数监控模块204可检测加热线圈202两端电压变化并输出数据到第一pid控制器205，加热线圈202电压变化与其温度相关；所述vcsel芯片电压监控模块206可监测激光器输入电流两端电压并输出数据到第二pid控制器207，该电压与激光芯片当前温度相关；第一pid控制器与第二pid控制器均可控制功率放大器放大倍率，其中第一pid控制器主要作用是控制激光模块整体的温度，第二pid控制器进一步精确控制vcsel激光芯片的温度，从而实现精确控制激光器温度；在不同的场合中，对于激光芯片温度控制精度要求不尽相同，两种反馈控制方法可以单独使用，也可以组合一起使用。
43.本实施例优选，所述vcsel芯片201与加热线圈202均通过电连接至集成电路板上；如图3所示，所述vcsel芯片201与加热线圈202均固定在硅基片203上；所述加热线圈202可采用双层蛇形布线，其优点在于每层直线部分产生的剩余磁场可相互抵消，可几何上控制两层之间布线电流流向相反从而可进一步抵消加热引入的剩余磁场，最大程度上降低vcsel加热引入的剩余磁场。
44.本实施例优选，所述信号源209由dds芯片(direct digital frequency synthesis，直接数字频率合成器)实现，如ad9854，输出频率范围可设置为100k～1mhz。所述信号源产生的交流信号经可调节放大倍率的功率放大器单元后输出到加热线圈。所述功率放大器单元的放大倍率由pid1与pid2共同控制。
45.本实施例优选，所述加热线圈202的电阻随着温度的升高而升高，加热线圈负载的
交流电压值与温度是一一对应的关系，可以通过提前测量获取，作为函数输入到第一pid控制器内部，可以得到目标温度值与实际温度值的误差信号，运用单片机或者fpga做成第一pid控制器控制功率放大器单元的输出功率大小，从而稳定硅基片和vcsel激光芯片的温度。
46.本实施例优选，所述vcsel芯片电压监控模块206可采集激光器电流输入两端电压，检测激光工作状态。激光工作电压和激光实时温度是一一对应的关系，可以通过提前测量获取，作为函数输入到第二pid控制器内部，根据采集的激光电压信号与目标电压之间的差异可以得到误差信号，运用单片机或者fpga做成第二pid控制器控制功率放大器的输出功率大小，进一步精确稳定vcsel激光芯片温度。第一pid控制器与第二pid控制器共同控制功率放大器放大倍率从而实现无磁vcsel激光芯片温度稳定在设定温度。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”、“具体实施方式”、“其他实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例、实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，上述描述的具体特征、结构、材料或者特点也可以在任何的一个或多个实施例、实施方式或示例中以合适的方式结合。本发明记载的技术方案也包括上述描述的任意一个或多个具体特征、结构、材料或者特点以单独或者组合的方式形成的技术方案。
48.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换、变型、删除部分特征、增加特征或重新进行特征组合形成的技术方案，凡是依据本发明的创新原理对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。