[发明专利]一种光纤式原子磁力仪探头及其调节方法

说明书

本发明公开一种光纤式原子磁力仪探头及其调节方法。由光纤传导出射的激光偏振受光纤影响产生变化时，由侧向位移分光棱镜分解的两束线偏振光的光强会发生变化，但两束线偏振光的偏振稳定且总光强不会发生变化，因此，通过两个四分之一波片转变为偏振相同的圆偏振光后，通过凸透镜的发散作用，两束激光在原子气室处形成了偏振稳定且总光强稳定的激光。本发明光纤式原子磁力仪探头对单模光纤的保偏性能无要求，在降低成本的情况下，保证了进入原子气室的激光功率与偏振稳定，进而保证了原子磁力仪的性能不受光纤传导特性对激光偏振的影响。

技术领域

本发明属于量子磁传感领域，涉及一种光纤式原子磁力仪探头及其调节方法，用于降低光纤传输性能对原子磁力仪测量噪声的影响，进而提高光纤式原子磁力仪的环境适应性。

背景技术

原子磁力仪是一种基于量子效应的高精度磁传感器，被广泛应用于磁场精密测量领域，在地质勘探、海洋工程、生物医学、目标探测等领域具有重要作用。目前，光纤式原子磁力仪通过光纤传导激光，使得激光器、信号处理电路等电子器件与传感探头分离，从而大大降低了传感探头对使用环境的要求。由于原子磁力仪的性能与进入到原子气室的激光功率、偏振等参数相关，稳定的激光功率与偏振是保证原子磁力仪性能的重要要素。目前，常用的光纤式原子磁力仪主要通过高性能的单模光纤或单模保偏光纤保证进入传感探头的激光的功率与偏振稳定，进而保证进入原子气室的激光具有良好的功率稳定性与偏振稳定性。然而，受光纤制作工艺与材料的限制，大多数高性能的单模光纤价格较高，且在振动、潮湿或温度变化较为剧烈的环境中，仍会造成激光传输过程中的偏振旋转或消偏振现象，从而导致进入传感探头的激光偏振稳定性下降，进而影响光纤式原子磁力仪的性能。故需要一种不依赖高性能光纤且能保证进入原子气室的激光功率与偏振稳定的探头结构。

传统的光纤式原子磁力仪在激光光源发射出的激光经过单模光纤传导并由第一准直透镜出射后，一般有两种方式对激光进行偏振态制备。一种直接通过四分之一波片将出射的激光转变成圆偏振光，在激光偏振受单模光纤影响发生偏振旋转时，由于四分之一波片的光轴无法实时变化，这种方式会导致进入原子气室的激光偏振变为椭圆偏振甚至线偏振，从而影响原子磁力仪的性能。另一种先通过偏振元件将第一准直透镜出射的激光偏振进行纯化，再经过四分之一波片转变为圆偏振光，这种方式虽然能够保证进入原子气室的激光偏振恒为圆偏振光，但由于经过偏振元件的激光光强与入射偏振元件的激光偏振方向有关，在激光偏振受单模光纤影响发生偏振旋转时，经过偏振元件的激光光强将发生较大变化，无法保证进入原子气室的激光功率稳定，从而影响原子磁力仪的性能。本发明提出利用多个偏振光学元件组成的光学系统对光纤传到的激光进行分离、偏振制备与合成，从而达到降低光纤传导导致的激光偏振变化进入原子气室的激光功率与偏振的影响。

发明内容

本发明的一个目的是针对为了在不增加过多装置复杂性和实现成本的基础上，提高光纤式原子磁力仪探头结构的环境适应性，提供了一种光纤式原子磁力仪探头。本发明是利用多个偏振光学元件组成的光学系统对光纤传到的激光进行分离、偏振制备与合成，从而达到降低光纤传导导致的激光偏振变化进入原子气室的激光功率与偏振的影响。

本发明的工作机理是：光纤传导出射的激光由侧向位移分光棱镜(10)分解成偏振相互垂直的两束线偏振光，经由两个光轴垂直的四分之一波片(11)、(12)后，两束线偏振光转变成偏振相同的圆偏振光并通过第一凸透镜(13)的发散作用，使得两束圆偏振光在进入原子气室(14)时传播路径重叠。当由光纤传导出射的激光偏振受光纤影响产生变化时，由侧向位移分光棱镜(10)分解的两束线偏振光的光强会发生变化，但两束线偏振光的偏振稳定且总光强不会发生变化，因此，通过两个四分之一波片(11)、(12)转变为偏振相同的圆偏振光后，通过凸透镜(13)的发散作用，两束激光在原子气室(14)处形成了偏振稳定且总光强稳定的激光。通过这种装置与方法将降低光纤式原子磁力仪对单模光纤(8)性能的要求，在降低成本的情况下，保证了进入原子气室(14)的激光功率与偏振稳定，进而保证了原子磁力仪的性能不受光纤传导特性对激光偏振的影响。