一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构的制作方法

1.本发明属于磁场精密测量技术领域，具体涉及一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构。


背景技术：

2.在磁场测量领域中，原子磁力仪是常用的精密测量仪器。高性能的磁力仪可应用于地磁匹配导航、军事磁异反潜、矿产资源勘探、空间磁场探测等。目前国际上已出现光泵磁力仪、相干布居囚禁磁力仪、抽运-检测型磁力仪、无自旋交换弛豫磁力仪等多种原子磁力仪。其中抽运-检测型原子磁力仪兼具有高灵敏度和快速响应的特点，与其他原子磁力仪相比在实际应用中更具有优势。目前国内发明的抽运-检测型原子磁力仪测量范围可达到100nt～100000nt，磁场采样率在1hz～1000hz范围内可调，原子磁力仪灵敏度指标达到0.2pt/hz
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@1hz(噪声功率谱密度)(cn 107015172 b，2019.09.10)，抽运-检测型原子磁力仪对突变外磁场的跟踪锁定能力也比单光束光泵磁力仪更强。抽运-检测型原子磁力仪虽然在各个指标方面表现优异，但该类型原子磁力仪光路复杂，目前主要停留于实验室桌面系统阶段，导致抽运-检测型原子磁力仪实用性受限。如何实现抽运-检测型原子磁力仪的光路集成是扩展该类型磁力仪应用的核心技术。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构，该探头可实现抽运-检测型原子磁力仪光路集成，保证原子磁力仪能够以高性能指标实现磁场测量功能。
4.一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构，包括主要包括光路调整组件一、光路调整组件二、光路调整组件三、吸收泡(5)、加热模块(4)、射频线圈组件(6)、光电探测器以及差分放大电路(11)；
5.所述加热模块(4)用于对吸收泡(5)进行加热，使吸收泡(5)内碱金属原子蒸发为气体，保证吸收泡(5)内的碱金属原子蒸气密度符合原子磁力仪工作的条件；
6.射频线圈组件(6)用于产生射频磁场，使得极化后碱金属原子磁矩进动至与外磁场垂直的平面内，磁矩绕外磁场做拉莫尔进动自由弛豫；
7.光路调整组件一将检测光调整为线偏振光，从一侧照射到吸收泡(5)上，检测光与吸收泡(5)中的碱金属气体中原子相互作用后，从吸收泡(5)出射；
8.光路调整组件二将激光器发出的抽运光调整成圆偏振光，从侧壁照射于玻璃吸收泡(5)上，通过光抽运作用实现吸收泡(5)内的碱金属原子的极化；光路调整组件三再将吸收泡(5)出射的检测光分成垂直的两路，即为s光和p光，分别由不同光电探测器接收，差分放大电路(11)接收两个光电探测器接收的光信号，经过差分放大后送入后端的电子处理单元，计算出外磁场值。
9.较佳的，所述光路调整组件一包括第一二分之一波片(1)、第一偏振分光镜(2)、第
一反射镜(3)；光路调整组件二包括第三二分之一波片(12)、第三偏振分光镜(13)、四分之一波片(14)；光路调整组件三包括第二反射镜(7)、第二二分之一波片(8)、第二偏振分光镜(9)以及第三反射镜(10)；激光器发出的一路激光经第一二分之一波片(1)及第一偏振分光镜(2)调节成线偏振光，作为检测光，再经第一反射镜(3)反射至吸收泡(5)中；
10.激光器发出的另一路激光经第三二分之一波片(12)、第三偏振分光镜(13)调节成线偏振光，之后透过四分之一波片(14)成为圆偏振光，作为抽运激光由吸收泡(5)侧壁照射进入；
11.检测光与吸收泡(5)中的碱金属原子相互作用后经第二反射镜(7)反射，随后经第二偏振分光镜(9)分为两束，即为s光和p光。
12.较佳的，光路调整组件三还包括第二二分之一波片(8)，放置在第二偏振分光镜(9)之前，用于调节两光电探测器接收到的信号大小。
13.较佳的，所述吸收泡(5)使用圆柱形透明玻璃加工而成；吸收泡(5)的玻璃外壁粘附有热敏电阻，通过热敏电阻测量吸收泡(5)温度，并反馈控制加热模块(4)工作功率实现恒温控制。
14.较佳的，射频线圈组件(6)包括上、下两个圆盘，圆盘的腰线处设置有凹槽，漆包线均匀缠绕于上、下圆盘的凹槽内部形成射频线圈；上下线圈绕制方向相同且匝数相同；吸收泡(5)及加热组件固定于上、圆盘之间。
15.较佳的，所述加热模块(4)包括两个圆筒结构，圆筒表面密绕双绞线并通以交流电对圆筒结构进行加热；吸收泡(5)放置在两个圆筒结构中间。
16.进一步的，还包括用于固定波片的波片固定组件，该波片固定组件使用无磁性的金属材料制作，包括两部分，分别为支撑座及固定架；支撑座设置有可容纳固定架的方形凹槽，两者对应位置设置有安装孔，通过螺钉固定在一起；并且支撑座的凹槽中部设置有圆形凹槽，凹槽底部设置有圆形通孔，固定架中部也设置有圆形通孔；波片放置在圆形凹槽内，圆形通孔用于通光，固定架固定在方形凹槽中，并通过螺钉紧固。
17.较佳的，圆形凹槽的边缘开有两个贯穿槽。
18.较佳的，反射镜的固定组件使用无磁性的金属材料加工，分别包含反射镜架(15)，背板(16)及底座(17)，三者通过胶粘的方式固定在一起；反射镜片粘附于反射镜架(15)上，该器件上端具有螺纹开孔，可通过螺丝调节反射镜架(15)及背板(16)的间距实现激光反射方向的微调。
19.进一步的，还包括密闭的探头外壳，所述光路调整组件一、光路调整组件二、光路调整组件三、吸收泡(5)、加热模块(4)、射频线圈组件(6)、光电探测器以及差分放大电路(11)固定于所述探头外壳中；探头外壳使用黑色聚甲醛材料加工而成。
20.本发明具有如下有益效果：
21.本发明公开了一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构，具体包括探头外壳、波片、偏振分光镜、反射镜、射频线圈、加热组件、吸收泡及差分放大电路；该探头是抽运-检测型原子磁力仪桌面试验系统的光学集成，能够正常实现双光束原子磁力仪磁场测量功能，且灵敏度相当；探头内部各组件加工材料均选用无磁性材料，吸收泡加热采用无磁加热技术，可确保磁力仪工作过程中无附加磁场干扰，能够实现抽运-检测型原子磁力仪磁场测量功能且达到高灵敏度指标；本发明可实现抽运-检测型原子磁力仪便携化，扩展抽运-检测型
原子磁力仪使用范围，具有产业化发展前景。
附图说明
22.图1为磁力仪探头光路结构；
23.图2为磁力仪整体外观结构；
24.图3为磁力仪探头内部结构；
25.图4为加热组件示意图；
26.图5为射频线圈组件示意图；
27.图6为波片固定组件示意图；
28.图7为波片组件及偏振分光镜固定座示意图；
29.图8为反射镜架组件示意图。
30.其中，1-第一二分之一波片，2-第一偏振分光镜，3-第一反射镜，4-加热模块，5-吸收泡，6-射频线圈，7-第二反射镜，8-第二二分之一波片，9-第二偏振分光镜，10-第三反射镜，11-差分放大电路，12-第三二分之一波片，13-第三偏振分光镜，14-四分之一波片，15-反射镜架，16-背板，17-底座。
具体实施方式
31.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
32.本发明提供了一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构，、吸收泡5、加热模块4、射频线圈组件6、光电探测器以及差分放大电路11。
33.激光器输出两路激光，其中抽运光频率等于碱金属原子d1线跃迁频率，检测光频率为d1线跃迁频率红失谐4-10ghz。
34.加热模块4用于对吸收泡5进行加热，使吸收泡5内碱金属原子蒸发为气体，保证吸收泡5内的碱金属原子蒸气密度符合原子磁力仪工作的条件。
35.射频线圈组件6用于产生特定时长、特定幅值和频率的射频磁场，使得极化后碱金属原子磁矩进动至与外磁场垂直的平面内，激励磁场关闭后，磁矩绕外磁场做拉莫尔进动自由弛豫，由探测光测量该弛豫信号。
36.光路调整组件一将检测光调整为线偏振光，从一侧照射到吸收泡5上，检测光与吸收泡5中的碱金属气体中原子相互作用后，从吸收泡5出射；
37.光路调整组件二将激光器发出的抽运光调整成圆偏振光，从侧壁照射于玻璃吸收泡5上，通过光抽运作用实现吸收泡5内的碱金属原子的极化(参考文献：杨宝,缪培贤,史彦超,冯浩,张金海,崔敬忠,刘志栋，二能级磁共振经典物理图像的理论和实验研究，中国激光，2020,47(10)，1012001)。
38.光路调整组件三将吸收泡5出射的检测光分成垂直的两路，即为s光和p光，分别由不同光电探测器接收，差分放大电路11接收两个光电探测器接收的光信号，经过差分放大后送入后端的电子处理单元，在电子处理单元，碱金属原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动信号经快速傅里叶变换确定拉莫尔进动频率，继而计算出外磁场值，完成磁力仪检测。
39.在本实施例中，光路调整组件一包括第一二分之一波片1、第一偏振分光镜2、第一反射镜3，光路调整组件二包括第三二分之一波片12、第三偏振分光镜13、四分之一波片14；
光路调整组件三包括第二反射镜7、第二二分之一波片8、第二偏振分光镜9以及第三反射镜10。
40.激光器发出的检测光通过光纤准直器后准直进入探头内部，经第一二分之一波片1及第一偏振分光镜2调节成线偏振光，再经第一反射镜3反射至吸收泡5中。
41.激光器发出的抽运光经光纤准直器扩束后准直进入探头内部，经第三二分之一波片12、第三偏振分光镜13调节成线偏振光，之后透过四分之一波片14成为圆偏振光，由吸收泡5侧壁照射进入，实现碱金属原子的极化过程。
42.检测光与吸收泡5中的碱金属原子相互作用后经第二反射镜7反射，随后经第二偏振分光镜9分为两束，一束直接被差分放大电路模块11中的一个光电探测器接收，而另一束经第三反射镜10反射后被差分放大电路11的另一个光电探测器接收。两光电探测器测量信号经过差分放大后输出碱金属原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动信号，该信号经快速傅里叶变换确定拉莫尔进动频率，继而计算出外磁场值。检测光进入第二偏振分光镜9前，通过第二二分之一波片8可调节两光电探测器接收到的信号大小，获得最佳差分放大信号。
43.实施例中，吸收泡5使用圆柱形透明玻璃加工而成，内部充有碱金属及缓冲气体。吸收泡5通过加热组件4完成加热。加热组件选用无磁性的金属材料加工。吸收泡5玻璃外壁粘附有热敏电阻，通过热敏电阻测量吸收泡温度并反馈控制加热丝工作功率实现恒温控制。
44.磁力仪工作时必需的射频磁场由射频线圈组件6产生，吸收泡5处于射频磁场均匀区内。如图5所示，包括上下两个圆盘，圆盘的腰线处设置有凹槽，漆包线均匀缠绕于上下圆盘的凹槽内部形成射频线圈，线圈首先完成下方绕制后再完成上方线圈绕制，上下线圈绕制方向相同且匝数相同，线圈绕制完成后漆包线以双绞方式由探头外壳后方开孔引出。射频组件6工作时在中心区域形成均匀射频磁场，且不会产生附加磁场。吸收泡5及加热组件通过胶粘固定于下方的圆盘上，其中吸收泡5处于射频磁场中心位置。射频组件6的上方的圆盘通过四个支柱固定于上方圆盘之上。
45.吸收泡5通过加热组件4完成加热，并通过吸收泡5外壁粘附的热敏电阻测量工作温度，经软件反馈控制加热丝输出功率实现恒温控制。如图4所示，加热组件4包括两个圆筒结构，圆筒表面密绕双绞线并通以交流电对圆筒结构进行加热，可确保加热过程中无附加磁场干扰；吸收泡5放置在两个圆筒结构中间，圆筒结构的热量传导到吸收泡5，对其进行加热。
46.实施例中，二分之一波片及四分之一波片均选用直径为25.4mm的圆形波片，固定于如图6所示的波片固定组件中，该波片固定组件使用无磁性的金属材料制作，包括两部分，分别为支撑座及固定架；支撑座设置有可容纳固定架的方形凹槽，两者对应位置设置有安装孔，通过螺钉固定在一起；并且支撑座的凹槽中部设置有圆形凹槽，凹槽底部设置有圆形通孔，固定架中部也设置有圆形通孔；波片放置在圆形凹槽内，圆形通孔用于通光，固定架固定在方形凹槽中，并通过螺钉紧固。另外，圆形凹槽的边缘开有贯穿槽，方便装卸波片。
47.使用尼龙螺钉完成组件固定。波片转动至合适角度后，经固定件顶部固定螺钉固定。偏振分光镜为12.7mm*12.7mm*12.7mm的正立方体，为确保光学系统一致，波片固定组件及偏振分光镜经胶粘方式固定于如图7所示的支撑座上。
48.为确保探头内部磁洁净，实施例中设计反射镜固定组件如图8所示。反射镜固定组
件使用无磁性的金属材料加工，分别包含反射镜架15，背板16及底座17，三者通过胶粘的方式固定在一起。反射镜片粘附于反射镜架15上，该器件上端具有螺纹开孔，可通过螺丝调节反射镜架15及背板16的间距实现激光反射方向的微调。该组件模块通过螺丝固定于其他组件上。
49.实施例中，上述组件均被固定于图2所示的密闭探头外壳中。探头外壳使用黑色聚甲醛材料加工而成，包含前面板、后面板、侧板、顶盖及底座部分，各外壳部分使用尼龙螺丝固定。thorlabs生产的光纤准直器被固定于前面板开孔处，激光器输出的抽运光及检测光通过光纤与光纤准直器耦合准直照射进入磁力仪探头内部。前面板侧下方开孔引出光检差分电路信号输出线缆。探头外壳后面板开有通孔引出射频线圈及加热组件加热丝供电线缆。
50.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。