[发明专利]一种用于原子磁探测的无磁温控装置及测量方法

说明书

本发明提供了一种用于原子磁探测的无磁温控装置及测量方法，该装置包括加热光路模块和原子气室控温模块；所述原子气室控温模块用于吸收加热激光产生所需原子数密度的气态碱金属原子，其包括第一滤光片、原子气室、第二滤光片、测温电阻和温控处理器；所述加热光路模块用于为原子气室提供所需热量的加热激光，其包括加热激光控制器、加热激光器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜。该测量方法包括组装装置、采用加热激光器向原子气室发射加热激光及通过温控处理器设定目标温度等步骤。本发明能够在不引入额外磁场的前提下实现原子气室温度控制，提高原子气室中工作原子的原子数密度，提高磁信号检测灵敏度，拓展测量范围。

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种用于原子磁探测的无磁温控装置及测量方法。

背景技术

原子磁探测技术是目前已被验证的灵敏度最高的磁场测量方式。实现原子磁探测的装置也称原子磁力仪。原子磁力仪在物质分析、地质勘探、生物医疗和工业检测等领域具有广阔的应用前景。原子磁力仪的工作物质一般为碱金属原子。碱金属原子最外层只有一个电子，电子自旋具有磁矩，在外部磁场环境中会绕磁场方向进动，进动频率与环境磁场的幅度成正比。自旋在磁场中的进动频率也称为拉莫尔进动频率。测量拉莫尔进动频率，就可以得到原子介质所处环境磁场的强度。

用于磁场传感的碱金属原子一般封存在密闭的玻璃气室中，也称为原子气室。一般情况下，原子磁力仪输出信号幅度大小与原子气室中碱金属原子数密度成正比。钾、铷、铯是原子磁力仪常用的工作物质。钾的熔点为63.65℃，铷的熔点为39.30℃，铯的熔点为28.44℃。因此。室温下钾、铷、铯一般呈固态。为了提高原子气室中的碱金属原子数密度，需要通过加热方式，使固态的碱金属原子变为液态，以蒸汽的形式弥漫在原子气室中。

原子磁力仪对磁场敏感，因此要求加热过程引入的磁场尽可能小。传统的加热方式主要有热气流加热和电加热两种方式。热气流加热基本不会引入额外的磁场，但是装置体积大，热气流也会对光路产生扰动。电加热方式会引入磁场，一般通过采用交流电驱动，使加热引入的磁场频段落在磁力仪工作频段之外，这一定程度上限制了磁力仪的测量范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于原子磁探测的无磁温控装置及测量方法，基于红外激光热效应，通过对加热激光的功率实时调整，实现针对原子气室的动态温控，即在不引入额外磁场的前提下，增大原子气室中碱金属原子数密度，提高磁信号检测灵敏度，拓展原子磁探测测量范围，从而解决现有加热装置容易产生附加磁场的问题。具体技术方案如下：

一种用于原子磁探测的无磁温控装置，包括加热光路模块和原子气室控温模块；

所述原子气室控温模块用于吸收加热激光产生所需原子数密度的气态碱金属原子，其包括第一滤光片、原子气室、第二滤光片、测温电阻和温控处理器；所述第一滤光片和第二滤光片紧贴设置在原子气室相对的两侧，用于透过工作激光且同时吸收加热激光；在所述原子气室内充有碱金属原子作为工作物质，在所述原子气室上设有用于补充碱金属原子的充气管；所述测温电阻紧贴设置在充气管上；所述温控处理器与测温电阻连接；

所述加热光路模块用于为原子气室提供所需热量的加热激光，其包括加热激光控制器、加热激光器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜；所述加热激光器，用于向原子气室发射加热激光；所述加热激光控制器与温控处理器连接，用于实现对加热激光的功率的调节及稳定；所述第一分光镜设置在加热激光器和原子气室之间，用于将加热激光分为透射光束和反射光束；所述透射光束通过第一滤光片射入原子气室；所述第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜顺次设置在反射光束传播的光路上，且三者的反射方向均可单独调节，用于调整反射光束的传播方向；调整后的反射光束通过第二滤光片与透射光束相向射入原子气室；所述加热激光的波段位于红外频段内。

优选的，所述加热光路模块还包括第一扩束镜，所述第一扩束镜设置在加热激光传播的光路上，且位于加热激光器和第一分光镜之间，用于扩大加热激光光束的光斑尺寸以覆盖原子气室。