一种基于反射式双向泵浦的光纤serf原子磁力仪装置
阅读说明：本技术 一种基于反射式双向泵浦的光纤serf原子磁力仪装置 (Optical fiber SERF atomic magnetometer device based on reflection type bidirectional pumping ) 是由 欧中华 张洋 何孟阳 任博康 岳慧敏 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置,涉及光纤弱磁探测领域,解决现有整体结构尺寸不能进一步缩小,难以实现结构微型化的技术问题,包括光源,传感模块,调制、解调模块；所述的光源包括一束泵浦探测激光,一束加热激光,传感模块包括磁场线圈、碱金属原子气室、反射镜和自聚焦透镜,调制、解调模块包括光电二极管、跨阻放大器、锁相放大器实现对磁场调制以及对信号解调。本发明避免了传统方法中在气室附近进行光电转换,采用全光结构进行探测,避免了光电转换电路带来的磁噪声,提高了探测灵敏度；同时采用反射式双向泵浦结构,使原子气室内的极化率更加均匀,有助于提高磁场探测的稳定性、准确性。(The invention discloses an optical fiber SERF atomic magnetometer device based on a reflection type bidirectional pump, which relates to the field of optical fiber weak magnetic detection and solves the technical problems that the size of the existing integral structure cannot be further reduced and the structure is difficult to realize miniaturization; the light source comprises a beam of pumping detection laser and a beam of heating laser, the sensing module comprises a magnetic field coil, an alkali metal atom air chamber, a reflector and a self-focusing lens, and the modulation and demodulation module comprises a photodiode, a trans-impedance amplifier and a phase-locked amplifier to realize magnetic field modulation and signal demodulation. The invention avoids the photoelectric conversion near the air chamber in the traditional method, adopts the all-optical structure for detection, avoids the magnetic noise brought by the photoelectric conversion circuit, and improves the detection sensitivity; meanwhile, a reflection type bidirectional pumping structure is adopted, so that the polarizability in the atomic gas chamber is more uniform, and the stability and the accuracy of magnetic field detection are improved.)
技术领域
本发明涉及光纤弱磁探测领域，更具体的是涉及一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置。
背景技术
SERF磁场测量装置在工业、农业、医疗以及科学研究等领域有着极大的应用价值，相对其他的磁场探测装置，具有灵敏度超高、可紧贴被测物体表面测量等优点。进行矿藏探测，本质上是对异常场的探测，不同矿产具有不同的磁场特性，因此，利用SERF磁场测量装置可以精确的获知地下或海底矿产种类、规模以及位置，将对工农业的发展起到重要促进作用；在医疗成像方面，SERF磁场测量装置不需要外加强磁场，有着被“动测量，对人体无损，整体、多方位成像”等优势。
目前基于SERF的磁场探测方法已经被实现，这种方法可以探测极其微弱的磁场，但是，该方法通常会在探头附近引入一些电路部分，从而带来额外的干扰磁场噪声阻碍灵敏度的进一步提高；同时，由于电路部分的存在，导致整体结构尺寸不能进一步缩小，难以实现结构微型化。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，用于提高磁场探测灵敏度、稳定性、准确性和使传感探头结构微型化。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，包括光源、传感模块和调制、解调模块，所述的光源包括加热光源、泵浦探测光源、偏振控制器；所述的传感模块包括环形器、磁场线圈、第一光纤准直器、碱金属原子气室(7)、反射镜、第二光纤准直器；所述的调制、解调模块包括光电二极管、跨阻放大器、锁相放大器；
所述加热光源与光纤准直器相连，所述泵浦探测光源与偏振控制器相连，偏振控制器输出端与环形器一端口相连，环形器二端口与第一光纤准直器相连，环形器三端口与光电二极管相连；所述锁相放大器参考输出端与磁场线圈相连，跨阻放大器输入端与光电二极管输出端相连，跨阻放大器输出与锁相放大器相连；
第一光纤准直器远离环形器的一端依次设置碱金属原子气室和反射镜，碱金属原子气室的顶部设置第二光纤准直器，且第二光纤准直器的出射光与第一光纤准直器的出射光相互垂直。
作为一种可选的技术方案，所述泵浦探测光源的泵浦光穿过碱金属原子气室后垂直入射在反射镜上，经反射后的泵浦光再次穿过碱金属原子气室，通过第一光纤准直器(6)上的自聚焦透镜后再次耦合进入光纤，输出到磁屏蔽桶外部，构成无源传感头结构；
光信号在磁屏蔽桶外部经过环形器输出到调制、解调模块，在调制、解调模块中进行光电转换以及数据处理。
作为一种可选的技术方案，所述传感模块中，泵浦探测光源的泵浦光功率将随着碱金属原子气室中的传播距离增加而衰减，从而导致泵浦率下降；
定义泵浦光入射时与碱金属原子气室的交点为原点O，泵浦光传播方向为x轴正方向，则泵浦率Rp1与碱金属原子气室内的空间横坐标x的关系为公式一：
其中，lambertw()为朗博W函数，Rr为弛豫率，Rp0为入射时还未衰减的泵浦率；
泵浦光到达反射镜后，将全部被反射并再次进入碱金属原子气室，形成双向泵浦，第二次泵浦率Rp2与碱金属原子气室内的空间横坐标x的关系为公式二：
其中xM为第一次泵浦光从原子气室出射的点的横坐标，即表示原子气室沿光传播方向的长度；
进一步，经双向泵浦后，碱金属原子气室内的总泵浦率Rp为两次泵浦率之和，即公式三：
Rp＝Rp1+Rp2
在公式三中，Rp1随x增加单调递减，故会造成碱金属原子气室内泵浦率的不均匀性，而Rp2随x增加单调递增，可对第一项的不均匀性进行补偿，从而得到更加均匀的泵浦率。
作为一种可选的技术方案，碱金属原子气室中原子极化率P为公式四：
作为一种可选的技术方案，所述泵浦探测光源的中心波长为795nm、894nm或770nm，分别对应铷原子、铯原子、钾原子的D1线，且其输出激光为线偏振光；
所述环形器、第一光纤准直器、光电二极管的工作波长与泵浦探测光源(2)的中心波长匹配。
作为一种可选的技术方案，所述的加热光源的输出功率在150mw以上，其功率需保证能加热气室使气室中碱金属原子能从固态变为气态；所述第二光纤准直器的工作波长与加热光源的中心波长匹配。
作为一种可选的技术方案，所述碱金属原子气室在加热源的通光面两侧，贴有吸收滤光片，其吸收中心波长与加热光源的中心波长一致，且出射一侧的滤光片厚度比入射一侧的滤光片的厚，使两片滤光片吸收的光能相等，能够从两侧均匀加热气室。
作为一种可选的技术方案，所述的调制、解调模块产生的调制信号为频率为ω，幅值为B1的正弦信号，解调输出信号为
其中，γe为碱金属原子旋磁比，B0为待测磁场幅值，J0是0阶贝塞尔函数，J1是1阶贝塞尔函数，Q为核减速因子，Rp为光泵浦率，Rr为弛豫率，P为气室中原子极化率。
本发明的有益效果如下：
1.该方法相比传统的SERF原子磁力仪装置，利用反射镜与自聚焦透镜，将探测光束耦合进入光纤传输到磁屏蔽桶外部进行光电转换，移除了磁传感探头上的光电转换电路并减少了光纤数量，使得结构尺寸能够进一步缩小，便于进行集成化与阵列式应用。
2.由于移除了碱金属原子气室附近的光电转换电路，从而消除了该部分电路带来的磁场噪声。
3.使用反射镜双向泵浦后，提高了碱金属原子气室内的泵浦率均匀性，从而也提高了极化率的均匀性，有利于提高系统测量的稳定性与准确性。
4.采用反射式光耦合结构，能够减少弱磁传感探头中光纤及光学元器件的数量，从而减小传感头尺寸与体积并提高传感头的可靠性
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
附图标记：1-激光器、2-激光器、3-偏振控制器、4-三端口环形器、5-磁场线圈、6-光纤准直器、7-碱金属原子气室、8-反射镜、9-光纤准直器、10-光电二极管、11-跨阻放大器、12-锁相放大器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
实施例1
如图1所示，碱金属原子气室7可采用铷原子、铯原子、钾原子，本实施例1优选为铷原子气室；本发明的一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，包括光源、传感模块、调制、解调模块。所述的光源包括一束1550nm激光、一束795nm激光，1550nm激光对铷原子气室进行加热，其激光需输出功率大于150mw，使其从第二光纤准直器9输出后打在铷原子气室上，能够加热铷原子气室至150℃左右。795nm光源输出线偏振光，经过偏振控制器3后变为左旋圆偏振光，从环形器4一端口输入，二端口输出，再经过第一光纤准直器6出射在铷原子气室上，穿过铷原子气室后，又垂直打在反射镜8上，反射光反射回来再次进入铷原子气室，在出射端，由第一光纤准直器6上自聚焦透镜耦合进入光纤，传输到磁屏蔽桶外，同时磁屏蔽桶内部的磁场线圈由锁相放大器12的参考输出驱动，产生一定频率的调制磁场。在磁屏蔽桶外，测量的光信号从环形器4三端口输出，由光电二极管10将光信号转换为电流信号，再由跨阻放大器11放大一定倍数转换为电压信号，再传输至锁相放大器12进行解调处理。
实施例2
进一步地，包括如下步骤：
步骤一：所述激光器1的输出激光为1550nm激光，其输出功率需大于150mW从而能够加热碱金属原子气室7至150℃左右，所述激光器2输出795nm线偏振光，经偏振控制器3转换为左旋圆偏振光，两束激光正交出射打在碱金属原子气室7上。第一次泵浦率Rp1与碱金属原子气室7内的空间横坐标x的关系为公式一：
其中，lambertw()为朗博W函数，Rr为弛豫率，Rp0为入射时还未衰减的泵浦率。
经反射镜后，泵浦光再次进入碱金属原子气室7形成双向泵浦，第二次泵浦率Rp2与x的关系为公式二：
其中xM为第一次泵浦光从碱金属原子气室7出射的点的横坐标，xM也代表碱金属原子气室7沿光传播方向的长度。
进一步，双向泵浦后，此时碱金属原子气室7泵浦率Rp为两次泵浦率之和公式三，即
Rp＝Rp1+Rp2
进一步，碱金属原子气室7中原子极化率P为公式四：
在公式四中，右边第一项Rp1随x增加单调递减，故会造成碱金属原子气室内泵浦率的不均匀性，而第二项Rp2随x增加单调递增，可对第一项的不均匀性进行补偿，从而得到相对均匀的泵浦率，从而也提高了极化率的均匀性。
步骤二：所述锁相放大器12参考输出连接磁场线圈5，产生频率为ω、幅度为B1的调制磁场B1cosωt。
步骤三：795nm再次从气室出射后，通过光纤准直器6上的自聚焦透镜耦合进入光纤，然后传出磁屏蔽桶外，由光电二极管10进行光电转换。
由光电二极管10探测到的光强信号Sx与极化分量Px成正比，其一次谐波项为公式五：
其中，γe为碱金属原子旋磁比，B0为待测磁场幅值，ω为调制磁场频率，B1为调制磁场幅值，J0是0阶贝塞尔函数，J1是1阶贝塞尔函数，Q为核减速因子，Rp为光泵浦率，Rr为弛豫率，P为气室中原子极化率。
步骤四：利用锁相放大器12对该一次谐波项进行锁相放大即可从噪声中提取待测弱磁信号B0，在零场范围内，该表达式可近似为公式六：
进一步，由于光电转换系数k、调制幅度B1、调制频率ω、泵浦率Rp、弛豫率Rr、旋磁比re等参数在调整稳定后都不再改变，故可实现线性输出。
通过上述步骤一～步骤四，得益于反射式双向泵浦的方式，提高了原子气室内原子极化率的空间均匀性，从而提高了探测结果的稳定性与可靠性，并采用空间光耦合的方式，避免了在碱金属原子气室7附近进行光电转换，避免了光电转换电路带来的附加磁场，从而进一步降低了磁噪声，使得该装置具有更高的探测灵敏度，同时，由于减少传感探头上的了光电转换电路以及光纤数量，使得传感探头的结构能进一步微型化，便于集成与阵列式应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。