一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，它包括铯原子灯、透明陶瓷灯桶、陶瓷凹面镜、组合镜片、铯蒸汽室及硅光电池；铯蒸汽室外部绕有励磁线圈及加热线圈。陶瓷凹面镜外部绕有射频激励线圈及铯灯恒温线圈；铯原子灯、组合镜片、铯蒸汽室、硅光电池依次排列并安装处于同一轴线上；激励线圈上通高频交流电激发铯原子灯发光，经陶瓷凹面镜聚焦为平行光，经组合镜片后变为右旋圆偏振光，随后经铯蒸汽室被气态的铯133原子调制，照射到硅光电池上，变为电信号输出。本发明最大特点在于采用凹面镜聚焦方式代替传统的一组凸透镜、光学组合镜片代替传统的一组光学镜片，使得整个光系组件的直径不超过35mm，长度压缩为不超过60mm，且性能指标相当。
【专利说明】
一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置
【技术领域】
[0001]本发明属于磁探【技术领域】，具体涉及一种自激式铯-133元素光泵磁力仪的紧凑型光系组件装置。
【背景技术】
[0002]磁法勘察一直是地球物理调查的重要内容，广泛用于航磁测量、海底资源勘探、地震预测、搜救打捞以及军用反潜等领域。磁力仪按工作原理可以分为磁通门式、质子旋进式、光泵式、超导式等不同种类型。相比较而言，基于光泵技术的高灵敏度磁探仪，灵敏度高、无零点漂移、不须严格定向，环境梯度容限高，可连续测量等显著优点，广泛用于航空及海洋地球物理勘探。
[0003]铯光泵磁力仪是利用铯133元素的原子受激发后，在外磁场作用下超精细能级(F=3，F=4能级)的塞曼效应来测量外部磁场的。在加热或电激发作用下的铯原子，再以满足F=3，F=4能级跃迁频率的光束照射，原子吸收光的能量，将由低能级跃迁到高能级，这一效应称之为光泵作用。处于高能级的铯原子在外磁场下会产生能级分裂，分裂后的原子两相邻子能级间的能量差可用塞曼跃迁频率f0来表示，f0大小与外磁场成正比。因此，设法测得f0，就可测得外磁场，而且具有很高的灵敏度。铯光泵磁力仪输出的fO与外界磁场的比例关系为f0 = 3.498577 x H，其中H为外部磁场值，单位为nT。在1000nT -1OOOOOnT的量程范围，f0为35khz - 350Khz。
[0004]传统的光泵磁力仪由光系组件和电子组件组成，光系组件包含光学部件和铯元素部件，电子组件为放大和处理电路。铯光泵磁力仪的发展方向为小型化、数字化，电子组件的小型化较为容易，而光系组件的紧凑设计则十分困难，传统的光泵磁力仪光系组件一般有若干个分离的光学兀件顺序叠加构成，体积难以缩小，一般要达到直径50mm,长度130mm至160mm的外形尺寸。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，它具有结构紧凑、体积小、重量轻的特点，为铯光泵磁力仪提供了一种小型化的解决方案。
[0006]实现本发明目的的具体技术方案是:
一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，特点是该装置包括铯原子灯、透明陶瓷灯桶、陶瓷凹面镜、组合镜片、球形铯蒸汽室及硅光电池。球形铯蒸汽室外部绕有励磁线圈及加热线圈。陶瓷凹面镜外部绕有射频激励线圈及铯灯恒温线圈。所述铯原子灯、组合镜片、球形铯蒸汽室、硅光电池依次排列并安装处于同一轴线上；射频激励线圈上通高频交流电激发铯原子灯发光，经过陶瓷凹面镜聚焦为平行光，经过组合镜片后变为右旋圆偏振光，随后经过铯蒸汽室被气态的铯133原子调制，照射到硅光电池上，变为电信号输出。
[0007]所述的铯原子灯安装在透明陶瓷灯桶内，透明陶瓷灯桶与陶瓷凹面镜固定在一起，铯原子灯位置位于陶瓷凹面镜的焦点。
[0008]所述铯蒸汽室外部的励磁线圈为沿球形铯蒸汽室外部绕制，线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室内的光路轴向成45度角，圈数为5?7。
[0009]所述铯蒸汽室外部还绕有加热线圈，线圈采用双线并绕方式。
[0010]所述组合镜片由几片不同功能的镜片按下述次序粘合而成，按光线入射方向依次为窄带滤光片、第一玻璃间隔环、线偏振片、第二玻璃间隔环、1/4波片。玻璃间隔环中间为空气隙。自然光从窄带滤光片一侧入射后，变为894nm的右旋圆偏振光出射。
[0011]所述球形铯蒸汽室为球形石英玻璃材料玻璃泡，直径24.5mm?25.5mm,铯原子灯直径为9_?10_的球型石英玻璃材料玻璃泡。氧化铝透明陶瓷灯桶内径与铯原子灯直径相同，壁厚Imm?1.2mm。
[0012]本发明最大特点在于采用凹面镜聚焦方式代替传统的一组凸透镜、光学组合镜片代替传统的一组光学镜片、球形铯蒸汽室代替传统的圆柱形铯蒸汽室，使得整个光系组件的直径不超过35mm，长度不超过60mm，比传统光泵磁力仪缩小一半以上，且性能指标相当。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的组合镜片结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本
【发明内容】
。
[0015]参阅图1，本发明中铯原子灯I受到到高频交流电的激发发光，经陶瓷凹面镜3反射聚焦为平行光，经组合镜片4后变为右旋圆偏振光，再经过球形铯蒸汽室8，光线的强度受到子蒸汽吸收的调制，照射到硅光电池6上，变为电信号。在球形铯蒸汽室8外部绕有励磁线圈7及加热线圈5。
[0016]本发明按照光通路的先后，各量子和光学元件的排列次序为铯原子灯1、由陶瓷凹面镜3反射聚焦，组合镜片4、球形铯蒸汽室8、硅光电池6。各元件的安装处于同一轴线上。
[0017]参阅图1，将铯原子灯I由氧化铝透明陶瓷灯桶2固定在陶瓷凹面镜3上，并使得铯原子灯I位于陶瓷凹面镜3的焦点。陶瓷凹面镜3外部绕有射频激励线圈10及铯灯恒温线圈9。
[0018]参阅图1，球形铯蒸汽室8外部的励磁线圈7为沿球形铯蒸汽室外部绕制，线圈磁场的轴向与经过球形铯蒸汽室8内的光路轴向成45度角，圈数为5?7圈。球形铯蒸汽室8外部还绕有加热线圈5，采用双线并饶方式。
[0019]采用球形铯蒸汽室8后，励磁线圈7可以采用与光路轴向成45度夹角方式绕制，充分利用了球形铯蒸汽室的空间，使得加上励磁线圈后，整个组件的最大直径也不超过铯蒸汽室的最大直径；所有器件设置于壳体11中。
[0020]参阅图2，组合镜片4按光线入射方向依次由中心波长894nm的窄带滤光片41、第一玻璃间隔环42、线偏振片43、第二玻璃间隔环44、中心波长894nm的1/4波片45组成。
实施例
[0021]本实施例是基于光检测磁共振的光泵效应基本原理，改进了传统光泵探头光系组件的分立元件设计而发明的一种紧凑型光泵探头光系组件装置。该光系组件装置中铯原子灯I受到高频交流电的激发发光，通过组合镜片4后变为右旋圆偏振光，经过球形铯蒸汽室8，光线的强度受到蒸汽状态的铯原子的调制，照射到硅光电池6上，变为电信号。在球形铯蒸汽室7外部绕有励磁线圈7。
[0022]参阅图1，本实施例光系组件包括铯原子灯1、透明陶瓷灯桶2、陶瓷凹面镜3、组合镜片4、球形铯蒸汽室8及硅光电池6。球形铯蒸汽室8外部绕有励磁线圈7及加热线圈5。陶瓷凹面镜3外部绕有射频激励线圈10及铯灯恒温线圈9，具体实现方式如下:
铯原子灯1:设计为球形石英玻璃泡，直径9mm，壁厚度为0.8mm，内部抽真空后充有铯133金属单质和惰性气体。铯133金属单质采用多道提纯工艺，纯度可达到6个9以上。铯133原子受到激发后主要发射Dl线(894nm)和D2线(852nm)，处于近红外波段。此外还有惰性气体原子受到激发后发射的相关线光谱。
[0023]透明陶瓷灯桶2:灯桶的作用是固定铯原子灯1，使其处于陶瓷凹面镜3的焦点。透明陶瓷灯桶采用氧化铝粉沫烧结，透明度高且导热性能好，为圆筒形状，内径与铯原子灯直径相当，壁厚Imm,长11mm。
[0024]陶瓷凹面镜3:为陶瓷材料抛物面结构，直径25mm，焦距10mm，内壁镀银，光洁度好。陶瓷凹面镜外部饶有2个线圈，直径较大的一个为铯灯恒温线圈9，圈数为50圈，直径较小的一个为射频激励线圈10，圈数为5圈。
[0025]组合镜片4:按光入射的次序分别为中心波长894nm的窄带滤光片41 (直径24mm?24.5mm,厚度1_?1.2mm)、第一玻璃间隔环42 (外环直径24mm?24.5mm,内环直径23mm?23.5mm,厚度0.4mm?0.5mm)、线偏振片43 (直径24mm?24.5mm,厚度1mm?1.2mm)、第二玻璃间隔环44 (外环直径24mm?24.5mm,内环直径23mm?23.5mm,厚度0.4mm?0.5mm).1/4波片45 (直径24mm?24.5mm,厚度1_?1.2mm)组成。各镜片用光学树脂胶粘合，玻璃间隔环中间为空气隙。
[0026]球形铯蒸汽室8:设计为球形石英玻璃容器，直径25_。球形铯蒸汽室为磁力仪的磁敏感部件，体积越小，则设备对外界磁场的梯度容限越高，本实施例中的铯蒸汽室尺寸设计可满足对环境梯度容限40000nT/m的要求。铯蒸汽室内部抽高真空，并充有铯_133金属及缓冲惰性气体。铯133金属单质采用多道提纯工艺，纯度可达到6个9以上。球形玻璃容器内壁采用特殊工艺喷涂有透红外的高分子材料，以降低铯原子与内壁玻璃碰撞造成的能级变化，提高仪器灵敏度。铯蒸汽室外部绕有加热线圈5，为消除加热电流的磁场影响，力口热线圈5采用双线并绕方式消除磁场干扰。除了加热线圈外，铯蒸汽室外部还绕有励磁线圈7,线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室内的光路轴向成45度夹角，励磁线圈7的圈数为5。作为铯光泵电子处理电路的反馈震荡电路的激励信号输入。
[0027]娃光电池6:将光信号转换成电信号。米用中心波长在895nm左右的娃光电池兀件，由于所测信号十分微弱，硅光电池内部集成有前置放大器，提供20db的信号增益能力。
【权利要求】
1.一种紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，其特征在于该装置包括铯原子灯(I)、透明陶瓷灯桶(2)、陶瓷凹面镜(3)、组合镜片(4)、球形铯蒸汽室(8)及硅光电池(6)，球形铯蒸汽室(8)外部绕有励磁线圈(7)及加热线圈(5);陶瓷凹面镜(3)外部绕有射频激励线圈(10)及铯灯恒温线圈(9);铯原子灯(I)安装于透明陶瓷灯桶(2)内，透明陶瓷灯桶(2)与陶瓷凹面镜(3)固定在一起，铯原子灯(I)位于陶瓷凹面镜(3)的焦点；所述铯原子灯(I)、组合镜片(4)、球形铯蒸汽室(8)、硅光电池(6)依次排列并安装处于同一轴线上；射频激励线圈(10)上通高频交流电激发铯原子灯(I)发光，铯灯恒温线圈(9)通电加热使得铯原子灯保持一定温度；经过陶瓷凹面镜(3)聚焦为平行光，经过组合镜片(4)后变为右旋圆偏振光，随后经过铯蒸汽室(8)被气态的铯133原子调制，照射到硅光电池(6)上，变为电信号输出；其中，所述组合镜片(4)按光线入射方向依次由窄带滤光片(41)、第一玻璃间隔环(42)、线偏振片(43)、第二玻璃间隔环(44)及1/4波片(45)粘合而成，各玻璃间隔环中间为空气隙。
2.根据权利要求1所述的紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，其特征在于所述铯原子灯(I)为球形，直径9mm?10mm，氧化铝透明陶瓷灯桶(2 )内径与铯原子灯(I)直径相同，壁厚Imm?1.2mm。
3.根据权利要求1所述的紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，其特征在于所述球形铯蒸汽室(8)直径为24.5mm?25.5mm。
4.根据权利要求1所述的紧凑型铯光泵磁力仪的光系组件装置，其特征在于所述球形铯蒸汽室(8)外部的励磁线圈(7)为沿铯蒸汽室外部绕制，线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室内的光路轴向成45度夹角，励磁线圈(7)的圈数为5?7。
【文档编号】G01R33/26GK104198967SQ201410505604
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】许庆丰, 许贵琳, 李明, 周捷, 谢俊杰, 莫翔 申请人:上海通用卫星导航有限公司