[发明专利]芯片原子传感实现方法及其传感器

说明书

本发明公开了一种芯片原子传感实现方法及其传感器。它将一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束，所述多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子作用，与碱金属原子作用后的激光束再次经偏振分为两束，所述两束光被两光电探测器分别探测，实现磁场原子信息探测。传感器中各器件集成度高，体积小，功耗低；是芯片级原子传感器的方案以及物理单元装置。这种方案实现的传感器灵敏度高。它克服了现有原子传感器体积大，灵敏度低等问题，可实现高灵敏度原子传感器。

技术领域

本发明属于电磁探测技术，特别是电磁探测中的原子传感器技术，具体涉及芯片级的原子传感实现方法及其结构。

背景技术

原子传感器应用于磁强计可用于测量磁场，应用于陀螺仪可以探测角速度，具有灵敏度高、体积小、功耗低等特点，可广泛用于探矿、导航、生物医学等。

原子传感器最常用的方法是采用光抽运实现原子极化，探测极化原子在磁场中的行为获得被测磁场或角速度信息。目前通常采用的方案使用两激光束相互垂直地入射处于磁场中原子泡，其中与原子共振的圆偏振强激光束作为抽运光将抽运原子极化；与原子跃迁适当失谐的线偏振弱激光束作为探测光与极化原子作用，它的偏振方向因法拉第旋光效应发生旋转，通过探测偏振方向旋转程度而获得被测磁场或角速度信息(定义为正交双激光束方案)。正交双激光束方案原子传感器通常采用两台激光器输出光强、频率不同的两束激光，光强、频率等易于分别控制，相互垂直两激光束与原子作用后分离，对探测光的探测不受抽运光干扰，这些优点有利于实现好的探测效果。但是，采用两台激光器使得传感器体积、功耗、价格等较高，两激光束垂直使得传感器探头的体积较大。现在尚没有文献记载将上述传感器做成芯片级的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现原子传感器微芯片级的方法以及结构，从而解决上述传感器的体积较大，功耗高的问题。

实现本发明目的之一的芯片原子传感器实现方法是：将一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束，所述多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子作用，与碱金属原子作用后的激光束再次经偏振分为两束，所述两束光被两光电探测器分别探测，实现磁场原子信息探测。

上述一束线偏振多色激光束光频谱主要包括基频、负一级边带频率和正一级边带频率；光频谱中也可以包括高阶边带频率，但高阶边带频率非常弱，以至于其影响可近似忽略。这样一束偏振多色激光束可以认为是一束三色激光束，或称之为准三色激光束。

所述一束线偏振多色激光束由纵腔面发射激光器产生也就是微波调制纵腔面发射激光器(也称之为垂直腔面发射激光器VCSEL，Vertical Cavity Surface EmittingLaser)输出的多色激光束，VCSEL芯片。

利用VCSEL作为光源可以实现带有光源的芯片原子传感器探头。激光光源伴随一定激光噪声，VCSEL输出激光频谱宽度较宽，激光噪声较大，但是在两光电探测器所探测到的光电信号中，这种同源共模噪声通过相减得到有效消除，这是本方案的另一优点。

进一步的，一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束是利用偏振转换器将多色光转换为基频为圆偏振光和相互垂直的线偏振光。

上述特征可以实现转换器件的集成化，采用偏振转换器(也可称之为正交偏振仪)可采用立方体结构，有利于光器件的集成。

进一步的，所述圆偏振光，相互垂直的线偏振光合束后进入原子气室。合束的光以平行光射入原子气室。