[发明专利]一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置

权利要求书

1.一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，其特征在于，所述的光源包括加热光源(1)、泵浦探测光源(2)、偏振控制器(3)；所述的传感模块包括环形器(4)、磁场线圈(5)、第一光纤准直器(6)、碱金属原子气室(7)、反射镜(8)、第二光纤准直器(9)；所述的调制、解调模块包括光电二极管(10)、跨阻放大器(11)、锁相放大器(12)；

所述加热光源(1)与第二 光纤准直器(9)相连，所述泵浦探测光源(2)与偏振控制器(3)相连，偏振控制器(3)输出端与环形器(4)一端口相连，环形器(4)二端口与第一光纤准直器(6)相连，环形器(4)三端口与光电二极管(10)相连；所述锁相放大器(12)参考输出端与磁场线圈(5)相连，跨阻放大器(11)输入端与光电二极管(10)输出端相连，跨阻放大器(11)输出与锁相放大器(12)相连；

第一光纤准直器(6)远离环形器(4)的一端依次设置碱金属原子气室(7)和反射镜(8)，碱金属原子气室(7)的顶部设置第二光纤准直器(9)，且第二光纤准直器(9)的出射光与第一光纤准直器(6)的出射光相互垂直；

所述传感模块中，泵浦探测光源(2)的泵浦光功率将随着碱金属原子气室(7)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(7)的交点为原点O，泵浦光传播方向为x轴正方向，则泵浦率R_p1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，R_r为弛豫率，R_p0为入射时还未衰减的泵浦率；

泵浦光到达反射镜(8)后，将全部被反射并再次进入碱金属原子气室(7)，形成双向泵浦，第二次泵浦率R_p2与碱金属原子气室(7)内的空间横坐标x的关系为公式二：

其中x_M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(7)内的总泵浦率R_p为两次泵浦率之和，即公式三：

R_p＝R_p1+R_p2

在公式三中，R_p1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R_p2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。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，其特征在于，所述泵浦探测光源(2)的泵浦光穿过碱金属原子气室(7)后垂直入射在反射镜(8)上，经反射后的泵浦光再次穿过碱金属原子气室(7)，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(4)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。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，其特征在于，碱金属原子气室(7)中原子极化率P为公式四：

4.根据权利要求1所述的一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，其特征在于，所述泵浦探测光源(2)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(4)、第一光纤准直器(6)、光电二极管(10)的工作波长与泵浦探测光源(2)的中心波长匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于反射式双向泵浦的光纤SERF原子磁力仪装置，其特征在于，所述的加热光源(1)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(9)的工作波长与加热光源(1)的中心波长匹配。