[发明专利]一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪

说明书

本发明提供一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块、信号分析控制模块和泵浦光路模块；所述多程环形光腔模块用于实现探测激光多次往返通过原子气室，所述探测光路模块用于实现对磁场内原子自旋进动状态的探测过程并将光信号转化为电压信号，所述磁场控制模块用于对原子屏蔽外部环境磁场并产生功能磁场，所述信号分析控制模块用于读取和分析原子自旋进动状态的电压信号并反馈输出磁场控制信号，所述泵浦光路模块用于为原子气室提供泵浦光。本发明通过多次反射探测激光延长了原子介质对探测激光的作用距离，增强了信号输出信号强度，进而提高了光泵原子磁力仪的磁场探测灵敏度。

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别地，涉及一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪。

背景技术

高精度磁力仪在医疗诊断、空间科学、矿藏勘探以及军事反潜等技术领域具有非常广泛的应用。原子磁力仪作为目前高精度磁力仪的主流代表，其基本工作原理是利用激光读出原子自旋的运动状态，而该运动状态又与原子所处环境的磁场大小密切相关；具体地，由于非零的原子自旋具有磁矩，在磁场作用下会受到扭矩的作用从而以固定的频率绕磁场线方向进动，且该进动频率与磁场强度的大小成正比，因此可以通过观测原子自旋的进动频率得到原子所处环境的磁场数据。因此原子磁力仪也被称为光学磁力仪，根据具体测量原理的不同，原子磁力仪可被划分为质子磁力仪、CPT原子磁力仪、金刚石色心原子磁力仪和光泵原子磁力仪等类别。

对于光泵原子磁力仪，其测量原理如下：出射的线偏振激光通过极化的原子自旋后，激光的线偏振方向会发生法拉第旋转，转过的角度被称为法拉第旋转角，由于法拉第旋转角的大小正比于原子自旋产生的磁场强度大小以及激光通过介质的光程长度大小，因此光泵原子磁力仪可根据线偏振激光产生的法拉第旋转角读出原子自旋的进动频率，从而得到待测磁场的强度数据。

现有的光泵原子磁力仪由于受到设备体积的限制，其原子气室中的原子介质对于探测激光的作用距离(即光程长度)也有限，因此探测激光在线偏振方向产生的法拉第旋转角小，光泵原子磁力仪输出的信号强度弱，大大限制了磁场探测的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增大激光通过原子介质的光程长度并提高磁场探测灵敏度的光泵原子磁力仪，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪，包括多程环形光腔模块、探测光路模块、磁场控制模块和信号分析控制模块；

所述多程环形光腔模块包括原子气室、入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜，所述入射腔镜和出射腔镜分别设置在原子气室的探测激光入射光路和探测激光出射光路上，所述第一反射镜用于实现探测激光在入射腔镜和出射腔镜之间的来回反射，通过入射腔镜、出射腔镜和第一反射镜间方位的配合实现探测激光多次往返通过原子气室；

所述探测光路模块包括探测激光器、第二偏振分光镜、第一光电探测器和第二光电探测器，所述探测激光器用于向入射腔镜发射探测激光，所述第二偏振分光镜用于将从出射腔镜射出的探测激光分为两束光功率相等的激光A和激光B，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别设置在激光A和激光B的光路上并用于将光信号转化为电压信号；

所述磁场控制模块包括围绕原子气室设置的磁场线圈以及用于控制磁场线圈产生磁场强度的磁场驱动源，通过所述磁场线圈实现对原子的屏蔽外部环境磁场以及施加功能磁场；

所述信号分析控制模块与第一光电探测器、第二光电探测器、磁场驱动源分别连接，通过分析来自两个光电控制器的信号解算出原子自旋感受到的磁场强度数据并发出磁场控制信号。

优选地，所述信号分析控制模块包括差分电路和数据处理服务器，所述差分电路与第一光电探测器、第二光电探测器的信号输出端连接，并用于对来自两个光电探测器的输出信号做差分运算，所述数据处理服务器与差分电路、磁场驱动源分别连接，并用于接收来自差分电路的运算结果进行磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。