阅读说明：本技术 一种反射式光路可调cpt原子磁力仪探头 (Reflection type optical path adjustable CPT atomic magnetometer probe ) 是由 王学锋 李明阳 邓意成 刘院省 卢向东 徐强锋 张天宇 李建军 路航 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头,包括探头主结构、偏振分光棱镜、1/4波片、原子气室、原子气室套筒、弹簧导杆、反射棱镜、镜片调节螺钉、镜片挡板、镜片调节弹簧、光纤准直器和弹簧调节螺母。所述偏振分光棱镜、1/4波片、原子气室、光纤准直器和反射棱镜为光学器件,所述光学器件和探头主结构组成反射光路,入射激光经偏振分光棱镜偏转90°,由S光轴输出,输出激光通过1/4波片和原子气室后射入反射棱镜,经反射棱镜反射,激光再次偏转90°,经输出端光纤准直器出射,最终实现出射光路180°偏转。本发明通过偏振分光棱镜和反射棱镜实现反射光路设计,在保证磁力仪测量精度的同时,减小了探头体积,提高了探头的工程适应性。(The invention discloses a reflection type optical path adjustable CPT atomic magnetometer probe, which comprises a probe main structure, a polarization beam splitter prism, 1/4 wave plates, an atomic air chamber sleeve, a spring guide rod, a reflection prism, a lens adjusting screw, a lens baffle, a lens adjusting spring, an optical fiber collimator and a spring adjusting nut. The polarization beam splitter prism, the 1/4 wave plate, the atomic air chamber, the optical fiber collimator and the reflection prism are optical devices, the optical device and the probe main structure form a reflection light path, incident laser is deflected by 90 degrees through the polarization beam splitter prism and is output through an S optical axis, output laser passes through the 1/4 wave plate and the atomic air chamber and then enters the reflection prism, is reflected through the reflection prism, is deflected by 90 degrees again, is emitted through the output end optical fiber collimator, and finally 180-degree deflection of the emission light path is achieved. The invention realizes the design of the reflection light path through the polarization beam splitter prism and the reflection prism, reduces the volume of the probe and improves the engineering adaptability of the probe while ensuring the measurement precision of the magnetometer.)

一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头

技术领域

本发明涉及一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，属于CPT原子磁力仪技术领域。

背景技术

磁场测量可应用于矿产探测、地球磁图测绘、导航定位及医疗保健等科技民生领域。CPT(Coherent population trapping)原子磁力仪具有高精度、低能耗和长期稳定性好的特点，成为了当前磁场测量领域的研究重点。

CPT原子磁力仪通过测量与外磁场大小成正比的能级分裂间隔来实现磁场测量。CPT原子磁力仪由探头、电子箱和连接线(光)缆组成。探头为磁场信号采集部件，线(光)缆为磁场信号传递部件，电子箱为磁场信号解调部件。其中，探头性能对磁力仪的精度和噪声等指标具有较大影响，是CPT原子磁力仪的核心部件。

当前，CPT原子磁力仪探头为对射同轴式圆柱体，线(光)缆从探头两端伸出，弯曲后再连回电子箱，回弯光缆极大的增加了探头的外轮廓尺寸，且弯曲部分的光缆处于悬空状态，使用时需要对其进行额外保护，不仅操作复杂，而且可靠性和环境适应性较差，不能满足绝大多数工程应用需求。除此之外，对射同轴式探头的光路耦合效率与机械加工精度有关，光学器件装配后无法进行调整。因此亟需提供一种体积小、工程适用性强、光路可调节的探头结构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足和缺陷，提供一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，使得光缆从探头同一侧伸出，避免了光缆回弯，减小了探头体积，降低了铺设难度，增加了光路可调节性，提高了机械加工和装配时的容错度，使得CPT原子磁力仪具有优异测量精度的同时具有更好的工程适用性。

本发明的技术解决方案是：一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，该探头包括偏振分光棱镜、1/4波片、原子气室、光纤准直器、探头主结构、反射棱镜、镜片调节螺钉、镜片挡板、镜片调节弹簧、弹簧导杆和弹簧调节螺母。所述1/4波片粘固在偏振分光棱镜表面，所述偏振分光棱镜、1/4波片、原子气室、光纤准直器为光学器件，所述探头主结构为所述光学器件的安装载体，所述光学器件和探头主结构组成反射光路，所述镜片调节螺钉、镜片挡板、镜片调节弹簧、弹簧导杆和弹簧调节螺母组成光路调节机构。

所述反射式为由偏振分光棱镜和反射棱镜组成的反射光路，入射激光经偏振分光棱镜偏转90°，由P轴输出变化为由S光轴输出，输出激光依次射入1/4波片、原子气室和反射棱镜，经反射棱镜反射，激光偏转90°，经输出端光纤准直器出射，最终实现出射光路180°偏转。

所述偏振分光棱镜所有直角面镀增透膜。

所述反射棱镜斜面镀金属高反膜。

所述光纤准直器在探头主结构的同一侧，线缆从同一侧进出探头，使其布线和安装更加便捷，提高工程适用性。

所述弹簧导杆两端设置有外螺纹，用于安置固定弹簧调节螺母。

所述镜片调节弹簧贯穿在弹簧导杆外，用于施加内应力。

所述镜片挡板设置有导向孔，用以穿过弹簧导杆，通过两个镜片挡板对镜片调整弹簧进行限位。

镜片挡板设置有通光孔，通光孔孔径小于1/4波片外径，可以使光路通过不受阻挡，同时可以使外力作用到1/4波片和反射棱镜上。

所述弹簧调节螺母通过螺纹紧固连接将镜片挡板和镜片调节弹簧固定在弹簧导杆上，通过旋转螺母实现镜片挡板间距离的调节。

所述探头结构的偏振分光棱镜和反射棱镜的垂直安装面设计有螺纹孔，所述镜片调整螺钉安装在上述螺纹孔中，通过旋转镜片调整螺钉实现偏振分光棱镜和反射棱镜间距的调节。

所述探头主结构、镜片调节螺钉、镜片挡板、弹簧导杆和弹簧调节螺母由铝合金或钛合金等无磁金属制成，用以减小探头剩磁，避免干扰磁场测量结果。

所述镜片调节弹簧由铍青铜合金等无磁金属制作，用以减小探头剩磁，避免干扰磁场测量结果。

所述镜片调节弹簧装配后处于压缩状态，用以提供内部预紧力，通过两个镜片挡板向1/4波片和反射棱镜施加向外的推力。

所述探头主结构、镜片调节螺钉、镜片挡板、弹簧导杆和弹簧调节螺母表面发黑处理，避免激光在探头结构内部发生泄露，使激光反射回激光器烧毁芯片。

所述镜片调节螺钉和弹簧调节螺母采用细牙螺纹，用以提高调节精度。

所述原子气室套筒为耐高低温、保温性好、机械性能优异的塑料，如聚酰亚胺塑料。

所述原子气室套筒为采用“波浪边”设计，用以减小导热面积，提高保温性能。

所述原子气室为中空圆柱玻璃壳结构，上下底面为通光面。

所述原子气室内部填充有碱金属原子，如铷原子，用于敏感磁场信号。

所述原子气室内部填充有缓冲气体，如氦气、氮气等，用于提高原子极化率。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明的反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，使用偏振分光棱镜和反射棱镜实现反射光路设计，使得入射和出射光缆位于探头同一侧，避免了当前对射同轴式探头中的光缆回弯问题，减小了探头体积，降低了铺设难度，提高了工程适用性。

(2)、本发明的反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，使用镜片调节螺钉、镜片挡板、镜片调节弹簧、弹簧导杆和弹簧调节螺母组成光路调节机构，使得探头内的光学器件可以进行调整，提高了机械加工和装配时的容错度，保证了CPT原子磁力仪的测量精度。

(3)、本发明的反射式光路可调CPT原子磁力仪探头工程适用性强，机械加工难度小、装配容错度高，具有较好的经济效益。

附图说明

图1为一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头俯视图；

图2为一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头斜视图；

图3为光路调节结构斜视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，使得CPT原子磁力仪具有优异测量精度的同时具有更好的工程适用性。

参见图1～图3，本发明实施例提供了一种反射式光路可调CPT原子磁力仪探头，该探头包括探头主结构1、偏振分光棱镜2、1/4波片3、原子气室4、原子气室套筒5、反射棱镜6、弹簧导杆7、弹簧调节螺母8、镜片挡板9、镜片调节弹簧10、光纤准直器11和镜片调节螺钉12。

所述反射式是指由偏振分光棱镜2和反射棱镜6组成的反射光路，入射激光经偏振分光棱镜2偏转90°，由P轴输出变化为由S光轴输出，输出激光依次射入1/4波片3、原子气室4和反射棱镜6。经反射棱镜6反射，激光偏转90°，经输出端光纤准直器11出射，最终实现出射光路180°偏转。

原子气室套筒5数量为2个，沿轴向夹持在原子气室4两侧。

探头主结构1为其他所有零件的安装载体，偏振分光棱镜2、原子气室套筒5、反射棱镜6粘固在探头主结构内部。

偏振分光棱镜2和1/4波片3粘固在一起。

所述偏振分光棱镜2所有直角面镀增透膜。

所述反射棱镜斜面镀金属高反膜。

光纤准直器11在探头主结构1的同一侧，线缆从同一侧进出探头，使其布线和安装更加便捷，提高工程适用性。

弹簧导杆7两端设置有外螺纹，用于安置固定弹簧调节螺母8。

镜片调节弹簧10贯穿在弹簧导杆7外，用于施加内应力。

镜片挡板9设置有导向孔，用以穿过弹簧导杆7，通过两个镜片挡板7对镜片调节弹簧10进行限位。

镜片挡板设置有通光孔，通光孔孔径小于1/4波片3外径，可以使光路通过不受阻挡，同时可以使外力作用到1/4波片3和反射棱镜6上。

弹簧调节螺母8通过螺纹紧固连接将镜片挡板9和镜片调节弹簧10固定在弹簧导杆7上，通过旋转弹簧调节螺母8实现镜片挡板9间距离的调节。

探头主结构1中偏振分光棱镜2和反射棱镜6的垂直安装面设计有螺纹孔，所述镜片调整螺钉13安装在上述螺纹孔中，通过旋转镜片调整螺钉13实现偏振分光棱镜2和反射棱镜6间距的调节。

探头主结构1、镜片调节螺钉13、镜片挡板9、弹簧导杆7和弹簧调节螺母8由铝合金或钛合金等无磁金属制成，用以减小探头剩磁，提高磁场测量精度。

镜片调节弹簧10由铍青铜合金等无磁金属制作，用以减小探头剩磁，提高磁场测量精度。

镜片调节弹簧10装配后处于压缩状态，用以提供内部预紧力。

探头主结构1、镜片调节螺钉13、镜片挡板9和弹簧导杆7表面发黑处理，避免激光在探头结构内部发生泄露，使激光反射回激光器烧毁芯片。

镜片调节螺钉13和弹簧调节螺母8采用细牙螺纹，用以提高调节精度。

原子气室套筒5为耐高低温、保温性好、机械性能优异的塑料，如聚酰亚胺塑料。

原子气室套筒5采用“波浪边”设计，可以减小导热面积，提高保温性能。

原子气室4为中空圆柱玻璃壳结构，上下底面为通光面。

原子气室4内部填充有碱金属原子，如铷原子，用于敏感磁场信号。

原子气室4内部填充有缓冲气体，如氦气、氮气等，用于提高原子极化率。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。