一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，由物理系统和电路系统构成，两部分之间通过线束插头和高频信号线连接。物理系统由激光二极管、透镜、衰减片、四分之一波片、原子气室、加热片、温度传感器和光电探测器组成,电路系统由微处理器、PD采集电路、激光二极管温控电路、原子气室温控电路、激光二极管电流控制电路、调制微波源和触摸显示屏组成。本实用新型采用激光作为干涉光源，激光的窄线宽特性和消多普勒效应，能够确保此测磁装置具有pT量级的灵敏度；将调制微波信号直接加载到激光源上的工作方式，避免了在原子气室两侧布置射频线圈，从而有效减少此测磁装置物理系统(传感部分)的体积；不需要考虑原子介质极化时间的限制，能够实现高速连续测量。
【专利说明】
一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种磁场测量装置，具体而言，涉及一种基于相干粒子数俘获(CPT)效应的磁场测量装置，属于磁场测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]磁场测量可用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。用于磁场测量的传统磁力仪包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪等。但是目前上述磁力仪在体积、功耗、测量范围和精度方面都存在令人不满意的地方，比如磁通门磁力仪的探头部分多由在高磁导率的磁芯上缠绕线圈制作而成，体积和重量较大、测量精度偏低；质子旋进磁力仪耗电量大，只能进行低带宽间断测量；光泵磁力仪虽然具有较高的灵敏度和响应频率，但其探头体积较大；超导量子干涉磁力仪必需的低温制冷系统使得其结构复杂，体积庞大。因此，迫切需要一种新的技术手段来解决以上问题，获得一种结构简单、精度高、体积小、功耗低且性能稳定的磁力仪。近几年，随着量子光学和原子操控技术的发展，基于相干粒子数捕获(Coherent Populat1nTrapping,CPT)效应的原子干涉磁力仪通过检测激光与原子作用后的透射光谱来实现对磁场的测量，有望解决磁测量技术目前发展的难题。
实用新型内容
[0003]本实用新型解决的技术问题是:克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，降低了磁力仪的体积和功耗，提高了测量灵敏度，扩大了测量范围。
[0004]本实用新型的技术解决方案是:一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，由物理系统和电路系统构成，物理系统由激光二极管、透镜、衰减片、四分之一波片、原子气室、加热片、温度传感器和光电探测器组成，电路系统由微处理器、PD采集电路、激光二极管温控电路、原子气室温控电路、激光二极管电流控制电路、调制微波源和触摸显示屏组成；激光二极管、透镜、衰减片、四分之一波片、原子气室和光电探测器依次设置在同一轴线上，温度传感器安装在原子气室的外壁上，加热片安装在原子气室的一端或两端；^)采集电路与光电探测器相连，原子气室温控电路与加热片和温度传感器相连用于采集和控制原子气室[105]的温度，激光二极管温控电路和激光二极管电流控制电路与激光二极管相连用于控制激光二极管的温度和电流；调制微波源与激光二极管相连用于控制激光二极管的边带频率扫描；微处理器与ro采集电路、激光二极管温控电路、原子气室温控电路、激光二极管电流控制电路、调制微波源和触摸显示屏相连接实现对物理系统的控制和磁场测量。
[0005]微处理器通过串口与所述触摸显示屏相连接。
[0006]所述激光二极管采用垂直腔表面发射半导体激光器。
[0007]所述原子气室内封装铷原子和缓冲气体。
[0008]本实用新型与现有技术相比的有益效果:
[0009](I)本实用新型采用激光作为干涉光源，激光的窄线宽特性和消多普勒效应，确保此测磁装置具有PT量级的准确度；
[0010](2)本实用新型将调制微波信号直接加载到激光源上的工作方式，避免了在原子气室两侧布置射频线圈，从而有效减少此测磁装置物理系统(传感部分)的体积。
[0011](3)本实用新型不需要考虑原子介质极化时间的限制，能够实现高速连续测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型系统连接与结构示意图；
[0013]图2是本实用新型实施例的物理系统结构图；
[0014]图3是本实用新型的控制与测量流程图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。
[0016]采用本实用新型实施例的基于CPT原理的磁场测量装置，系统连接与结构如图1所示，分为物理系统和电路系统两部分，两部分之间通过线束插头和高频信号线连接。物理部分依次由激光二极管101、透镜102、衰减片103、四分之一波片104、原子气室105光电探测器108和加热片106、温度传感器107构成，用于完成光与原子间相互作用，实现CPT效应。激光二极管101、透镜102、衰减片103、四分之一波片104、原子气室105和光电探测器108依次设置在同一轴线上，温度传感器107安装在原子气室105的外壁上，加热片106安装在原子气室105的一端或两端。电路系统由微处理器201、Η)采集电路202、激光二极管温控电路203、原子气室温控电路204、激光二极管电流控制电路205、调制微波源206和触摸显示屏207组成；Η)采集电路202与光电探测器108相连，原子气室温控电路204与加热片106、温度传感器107相连用于采集和控制原子气室105的温度，激光二极管温控电路203和激光二极管电流控制电路205与激光二极管101相连用于控制激光二极管101的温度和电流；调制微波源206与激光二极管101相连用于控制激光二极管101的边带频率扫描，微处理器201与H)采集电路202、激光二极管温控电路203、原子气室温控电路204、激光二极管电流控制电路205、调制微波源206和触摸显示屏207相连接实现对物理系统的控制和磁场测量。线束插头分别连接光电探测器108和H)采集电路202，加热片106、温度传感器107和原子气室温控电路204，激光二极管温控电路203、激光二极管电流控制电路205和激光二极管101 ;高频信号线连接调制微波源206和激光二极管101。
[0017]本实用新型具体实施例的物理系统结构图参见图2，也即磁力仪的传感部分，为柱形探头，在本实施例中，激光二极管101采用垂直腔表面发射半导体激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser, VCSEL),具有体积小、方向性好、响应速度快、功率损耗低、动态调制频率高等特点，满足本实用新型测磁装置对光源部分的要求，并且VCSEL激光二极管的内部集成有半导体制冷器(TEC)和负温度系数热敏电阻(NTC)，便于控制激光二极管的温度。原子气室105内封装铷原子和缓冲气体，提供测量磁场的干涉介质。
[0018]物理系统是以激光二极管101和原子气室105作为核心部件，通过衰减片103和四分之一波片104调整两束激光的强度，再把激光二极管101所发出的线偏振光转变为圆偏振光。激光束与原子气室105内的铷原子相互作用后，由光电探测器108接收带有磁场信息的光信号，并把光信号转化为电信号，传给电路系统部分。
[0019]本实用新型具体实施例的电路系统部分主要由微处理器201、PD采集电路202、激光二极管温控电路203、原子气室温控电路204、激光二极管电流控制电路205、调制微波源206和触摸显示屏207构成。微处理器201包括但不限于单片机、DSP或FPGA，具有满足本实用新型装置的外围接口电路，如模拟-数字和数字-模拟转换电路，串口等，在本实施例中，选择STM32系列芯片完成对激光二极管101、原子气室105、光电探测器108、调制微波源206和触摸显示屏207的控制。
[0020]激光二极管温控电路203和激光二极管电流控制电路205用于调节激光二极管101的温度和电流，确保激光中心波长(794.976nm)不变。
[0021]在具体实施例中，激光二极管温控电路203与激光二极管101的TEC和NTC管脚相连。TEC热电制冷调节器是一个可以自由控制加热或者制冷的芯片，控制端由外接的电流来控制是加热还是制冷。NTC热敏电阻是一个负温度系数的热敏电阻，利用恒流源芯片REF200产生一个电流，流经热敏电阻从而在NTC输入端产生一个电压，此电压就是热敏电阻的电压，通过测量电压值就能得到此时热敏电阻的阻值(温度每变化0.003K，NTC阻值变化0.358 Ω。采用200mA恒流芯片时，对应电压变化0.072V)，从而反算出此时激光二极管101的工作温度。电压值输入到微处理器201与预设温度对比，通过调节TEC两端电流的流向和大小来控制升温或降温。
[0022]在具体实施例中，激光二极管电流控制电路205包括恒定电流控制、频率扫描控制和稳频反馈控制电流输入。恒定电流控制通过微处理器201的数字-模拟端输出一个恒定电压，后接一路电压跟随器，其目的是隔离输入与输出使负载端不会影响输入端，另外集成运放的高输入电阻和低输出电阻的特性可以增强输入端的带负载能力；频率扫描控制通过微处理器201的数字-模拟端输出一组锯齿波信号，同样后接一路电压跟随器去信号干扰；稳频反馈控制电流输入包括三部分:(I)将恒定电流和频率扫描的求和放大电路，(2)电压跟随器，(3)AD623仪表放大器构成的反馈回路，这样电压跟随器输出端会输出一个可调电流，此电流为激光二极管101的驱动电流。
[0023]原子气室温控电路204用于保持原子气室的温度稳定，使铷原子的密度适合，优化干涉效果，从而提高系统的精度和稳定性。在具体实施例中，原子气室温控电路204连接加热片106和温度传感器107。固定在原子气室105上的温度传感器107采用LM335，将原子气室105的温度采集后，通过模拟-数字转换到微处理器201，微处理器201将采集温度值与设定值对比判断是否应该加热，如果温度不够需要加热则通过I/O 口输出固定电压给加热片，否则关断加热片。
[0024]调制微波源206用于控制调制微波源的频率，将3.417GHz的调制信号注入激光二极管101，对其波长进行调制，使产生频率间隔为3.417GHz的多色光，对应的±1极边带是磁场测量中所需要的两个光场。在具体实施例中，调制微波源206采用输出频率3416.8-3417.8MHz，最小步进0.1Hz的微波信号，驱动电路主要是微处理器201的4个管脚，其中数据输出端输出32位二进制数字信号控制调制微波源的频率输出。
[0025]在具体实施例中，PD采集电路202由模拟-数字转换电路构成。光电探测器108输出的电信号通过ro采集电路202转换输入到微处理器201中，然后通过程序确定信号峰值对应的调制微波源频率，据此计算出磁场强度。
[0026]在具体实施例中，触摸显示屏207以实时曲线和数字两种方式显示计算磁场强度值，提供激光调节、CPT优化、磁场测量、自动测量等按钮。设置寻峰范围、中心点、扫描步长等参数输入框。
[0027]本实用新型的控制测量过程如图3所示，
[0028]步骤201:开始，进入测量准备阶段；
[0029]步骤202:利用激光二极管温控电路203对激光二极管101预热；
[0030]步骤203:微处理器201判断激光二极管101的温度是否达到Tl，如果是，就进入步骤206，否则转到步骤202，所述Tl为激光二极管101所需达到的预设温度值；
[0031]步骤204:利用原子气室温控电路204进行原子气室105预热；
[0032]步骤205:微处理器201判断原子气室105的温度是否达到T2，如果是，就进入步骤206，否则转到步骤204，所述T2为原子气室105所需达到的预设温度值；
[0033]步骤206:微处理器201判断激光二极管101和原子气室105的温度是否都达到预设值，如果是，说明激光频率和原子密度满足实现相干粒子数捕获的条件，就进入步骤207，否则返回步骤201 ；
[0034]步骤207:利用激光二极管电流控制电路205调整激光二极管101的电流，使激光稳定在所需频率上；
[0035]步骤208:微处理器201控制调制微波源206在大频率范围内扫描，得到CPT侧峰所对应的微波频率区间W，所述大频率范围一般指IMHz范围内；
[0036]步骤209:结束准备阶段，进入测量阶段，关闭加热片106，避免对磁场测量结果的影响；
[0037]步骤210:微处理器201控制调制微波源206在W频率范围内进行精密扫描，采用相敏检波得到CPT侧峰对应的微波频率V ；
[0038]步骤211:判断所述微波频率V是否在扫描区间W的边缘，如果是，说明需要重新扫描CPT侧峰所对应的微波频率区间W，返回步骤208，否则进入步骤212 ；
[0039]步骤212:微处理器201利用CPT侧峰与中间峰的频率差，计算磁场强度值，并将计算结果输出到触摸显示屏207上；
[0040]步骤213:微处理器201判断原子气室105的温度是否小于T2，如果是，说明原子气室105需要加热，就进入步骤214，否则返回步骤210，进行磁场的连续测量；
[0041]步骤214:打开加热片106，对原子气室105进行加热，直到测量结束。
[0042]以上所述的实施例只是本实用新型较优选的【具体实施方式】，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，其特征在于:由物理系统和电路系统构成，物理系统由激光二极管[101]、透镜[102]、衰减片[103]、四分之一波片[104]、原子气室[105]、加热片[106]、温度传感器[107]和光电探测器[108]组成，电路系统由微处理器[201]、H)采集电路[202]、激光二极管温控电路[203]、原子气室温控电路[204]、激光二极管电流控制电路[205]、调制微波源[206]和触摸显示屏[207]组成；激光二极管[101]、透镜[102]、衰减片[103]、四分之一波片[104]、原子气室[105]和光电探测器[108]依次设置在同一轴线上，温度传感器[107]安装在原子气室[105]的外壁上，加热片[106]安装在原子气室[105]的一端或两端刊采集电路[202]与光电探测器[108]相连，原子气室温控电路[204]与加热片[106]和温度传感器[107]相连用于采集和控制原子气室[105]的温度，激光二极管温控电路[203]和激光二极管电流控制电路[205]与激光二极管[101]相连用于控制激光二极管[101]的温度和电流；调制微波源[206]与激光二极管[101]相连用于控制激光二极管[101]的边带频率扫描；微处理器[201]与H)采集电路[202]、激光二极管温控电路[203]、原子气室温控电路[204]、激光二极管电流控制电路[205]、调制微波源[206]和触摸显示屏[207]相连接实现对对物理系统的控制和磁场测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，其特征在于:所述微处理器[201]通过串口与所述触摸显示屏[207]相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，其特征在于:所述激光二极管[101]采用垂直腔表面发射半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置，其特征在于:所述原子气室[105]内封装铷原子和缓冲气体。
【文档编号】G01R33/02GK203950025SQ201420317831
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】寇军, 王增斌, 李凯, 张笑楠, 魏小刚, 杨峰, 孙晓洁, 朱志忠, 赵博涛, 杨文良 申请人:北京航天控制仪器研究所