本發(fā)明涉及微小型cpt磁力儀技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高精度磁場測量技術(shù)在許多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，在地質(zhì)學(xué)、材料科學(xué)、導(dǎo)航、磁異常檢測、生物醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越重要的作用。磁力儀的種類繁多，根據(jù)其特性的不同，不同種類的磁力儀有著不同的應(yīng)用?；谙喔刹季酉莘?coherentpopulationtrapping,cpt)的原子磁力儀，因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)在很多領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用潛力。該磁力儀因其絕對(duì)測量的方案且無需校準(zhǔn)，在導(dǎo)航和空間磁測方向有著很好的前景；其全光結(jié)構(gòu)且易于小型化的特性，讓它可以避免探頭內(nèi)金屬的影響，可以很好地應(yīng)用于生物磁測量；作為標(biāo)量磁力儀，cpt磁力儀對(duì)測量方向不敏感，它還是地磁圖繪制的合適候選。由此可見，其將來的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

當(dāng)兩相干激光與λ能級(jí)的原子相互作用時(shí)，當(dāng)雙色光的頻差與基態(tài)兩能級(jí)頻差相同，即拉曼共振時(shí)，原子被制備到相干疊加態(tài)，稱為cpt態(tài)。處于cpt態(tài)的原子與光場解耦，不再與光場相互作用。1975年，alzetta等人在使用兩頻率激光作用于na原子團(tuán)的實(shí)驗(yàn)中，首次發(fā)現(xiàn)了cpt現(xiàn)象。而將該現(xiàn)象應(yīng)用于磁場測量領(lǐng)域，直到1992年才由德國科學(xué)家scully首次提出，隨后他們做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并預(yù)測cpt磁力儀的靈敏度極限可達(dá)到1ft/hz^1/2。

1999年，德國的wynands教授利用充有ne氣的cs泡獲取了42hz的cpt共振信號(hào)，并達(dá)到了12pt/hz^1/2的測量靈敏度。2004年，nist的kitching小組利用1mm³的芯片級(jí)cpt磁力儀獲得了50pt/hz^1/2的靈敏度，且功耗僅195mw，成為光學(xué)磁力儀小型化的一個(gè)典型代表。

目前，cpt磁力儀物理系統(tǒng)絕大多數(shù)采用自由空間的光學(xué)器件，如準(zhǔn)直透鏡、光強(qiáng)衰減片、1/4波片，因此整體物理系統(tǒng)的體積受限于傳統(tǒng)光學(xué)器件體積。這種結(jié)構(gòu)的cpt磁力儀物理系統(tǒng)有如下幾方面缺點(diǎn)：

1.由于傳統(tǒng)cpt磁力儀的vcsel激光器都設(shè)置在磁力儀探頭部分，用于cpt信號(hào)所需的微波信號(hào)需要從主機(jī)電路中使用專用的高頻電纜線連接到vcsel激光器上，高頻電纜線的晃動(dòng)容易導(dǎo)致微波傳輸功率的不穩(wěn)從而影響磁場測量的穩(wěn)定度。

2.由于自由空間用vcsel激光器的出射光斑具有發(fā)散角，準(zhǔn)直透鏡用來將具有發(fā)散角的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫芯€偏振光，因此要求vcsel激光管的出射口中心，準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)，1/4波片中心位置，原子氣室軸線和光電探測器中心必須同軸。這種要求增加了安裝和調(diào)試光路的難度，影響原子磁力儀的磁場測量穩(wěn)定度。

3.在原子氣室溫度一定的情況下，在光與堿金屬原子的相互作用中，為提高cpt信號(hào)測量磁場的信噪比，需要增加光與原子相互作用的長度，由于準(zhǔn)直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子氣室的長度，從而使得原子磁力儀的體積和功耗增大。

4.原子氣室由于是采用傳統(tǒng)玻璃吹制技術(shù)制成，必然在注入堿金屬和緩沖氣體的密封口處形成一個(gè)小玻璃尖錐，這種原子氣室的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)影響cpt磁力儀結(jié)構(gòu)的緊湊性和穩(wěn)定性。

5.傳統(tǒng)cpt磁力儀探頭部分包含了vcsel激光器和光電探測器等金屬組件，這些組件會(huì)帶來剩磁，探頭剩磁會(huì)對(duì)磁力儀的磁場測量精度產(chǎn)生較大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

cpt磁力儀磁場測量原理：以銣原子(⁸⁷rb)作為工作介質(zhì)，未加外磁場情況下兩個(gè)相干場在⁸⁷rb原子的d1線基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間形成一個(gè)λ模型系統(tǒng)的cpt共振信號(hào)，如圖1(a)所示，并且這些子能級(jí)在磁場為零時(shí)都是簡并的。有外磁場的情況下原子能級(jí)會(huì)發(fā)生塞曼分裂。當(dāng)磁場與光的波矢方向平行時(shí)，兩個(gè)圓頻率分別為ω1和ω2的右旋圓偏振光同時(shí)作用于原子系統(tǒng)，由選擇定則可知，此時(shí)的躍遷會(huì)構(gòu)成如圖1(b)所示的3個(gè)三能級(jí)λ型cpt系統(tǒng)。

相鄰塞曼子能級(jí)的能量差與外磁場的關(guān)系如下：

其中是基態(tài)|f1＝1,m1>和|f2＝2,m2>的能量差，m1和m2是基態(tài)f1＝1和f2＝2的磁量子數(shù)，δhfs是基態(tài)|f1＝1,m1＝0>和|f2＝2,m2＝0>的頻率差，γ是旋磁比，b是待測外磁場強(qiáng)度(單位：t)。通過對(duì)三個(gè)cpt共振峰頻率的測量，就能計(jì)算得到相應(yīng)的磁場強(qiáng)度。

圖2為磁場方向與光傳播方向平行時(shí)所獲得的cpt共振信號(hào)。外磁場為零時(shí)基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)都是簡并的，只能觀察到一個(gè)cpt共振信號(hào)峰；當(dāng)磁場存在并且磁場方向平行于光傳播方向時(shí)，不同磁量子數(shù)mf的塞曼子能級(jí)劈裂的寬度不同，這時(shí)就構(gòu)成了三能級(jí)λ系統(tǒng)(如圖1(b)所示)。

對(duì)于雙光子躍遷λ2系統(tǒng)：

其中兩個(gè)光場的頻率差為δhfs，與其對(duì)應(yīng)的cpt共振信號(hào)峰還出現(xiàn)在原來的一個(gè)cpt共振處，即位于δhfs/2處。

同理，對(duì)于雙光子躍遷λ1，λ3系統(tǒng)：

這兩組三能級(jí)λ系統(tǒng)的光場的頻率差則分別為δhfs±2γb，相應(yīng)的cpt共振中心在(δhfs±2γb)/2處。此時(shí)，cpt共振信號(hào)變?yōu)槿齻€(gè)峰。

左邊共振峰的幅度對(duì)應(yīng)的cpt共振，(即λ1系統(tǒng))明顯大于右邊峰的幅度對(duì)應(yīng)的cpt共振(即λ3系統(tǒng))。因?yàn)楣獬檫\(yùn)作用使得粒子更容易分布在磁量子數(shù)為負(fù)值的原子基態(tài)塞曼子能級(jí)上，考慮到光場同時(shí)耦合上能級(jí)|fe＝1,m＝0>和|fe＝1,m＝+1>的情況，振幅會(huì)相疊加，導(dǎo)致左邊的共振峰大于右邊。

由于三個(gè)共振信號(hào)相互之間的頻率間距為δ＝|γ|b，即共振信號(hào)的頻率間距與磁場強(qiáng)度成正比。只需測得頻率的間距大小，即可計(jì)算出磁場強(qiáng)度b。

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，提高了輸出cpt信號(hào)的穩(wěn)定性，減小了體積，降低了功耗，并且提高了測量磁場的精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)，包括：主機(jī)、第一單模保偏光纖、光纖起偏器、第二單模保偏光纖、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲、溫度傳感器、第一光纖連接器和第三單模保偏光纖；其中，所述主機(jī)包括尾纖vcsel激光器、光纖光電探測器、第二光纖連接器和溫控單元；所述雙絞加熱絲繞設(shè)于所述原子氣室的外表面，所述溫度傳感器設(shè)置于所述原子氣室的外表面，所述雙絞加熱絲和所述溫度傳感器通過溫控電纜分別與溫控單元相連接；所述雙絞加熱絲用于在所述原子氣室內(nèi)產(chǎn)生熱量，所述溫控單元通過所述溫度傳感器控制所述原子氣室的溫度；所述尾纖vcsel激光器用于產(chǎn)生線偏振光，所述線偏振光經(jīng)所述第一單模保偏光纖傳輸?shù)焦饫w起偏器后，通過調(diào)節(jié)光纖起偏器獲得衰減的線偏振光，衰減后的線偏振光通過所述第二單模保偏光纖到達(dá)光纖1/4波片，經(jīng)所述光纖1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光，在緩沖氣體和外界磁場的條件下所述圓偏振光在所述原子氣室內(nèi)與堿金屬原子發(fā)生相互作用產(chǎn)生cpt光信號(hào)，所述光纖光電探測器用于接收所述cpt光信號(hào)，并將所述cpt光信號(hào)轉(zhuǎn)換為cpt電信號(hào)，經(jīng)過對(duì)該cpt電信號(hào)的解調(diào)和解算可獲知當(dāng)前當(dāng)?shù)匚恢锰幫饨绱艌龅臉?biāo)量磁場值。

上述光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)中，光纖起偏器、第二單模保偏光纖、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲、溫度傳感器和第一光纖連接器設(shè)置于殼體內(nèi)。

上述光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)中，所述尾纖vcsel激光器通過所述第一單模保偏光纖與光纖起偏器相連接，光纖起偏器通過第二單模保偏光纖與光纖1/4波片相連接，光纖1/4波片、原子氣室與第一光纖連接器依次相連接，第一光纖連接器通過第三單模保偏光纖與第二光纖連接器相連接。

上述光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)中，所述溫控單元通過所述溫度傳感器控制所述原子氣室的溫度包括：所述溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測所述原子氣室的溫度并傳輸給溫控單元，溫控單元根據(jù)溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)雙絞加熱絲產(chǎn)生的熱量，能夠?qū)υ託馐业拈L時(shí)間恒溫控制。

上述光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)中，所述雙絞加熱絲采用無磁材料鎢絲纏繞而成。

上述光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)中，所述原子氣室為將注入堿金屬原子及緩沖氣體的中空的光纖通過光纖拉錐技術(shù)密封而成。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

1)本發(fā)明中將尾纖vcsel激光器和光纖光電探測器設(shè)置于主機(jī)內(nèi)，從而無須連接微波信號(hào)傳輸用的高頻電纜，減少了探頭剩磁，大大提高了磁力儀測量磁場的精度；

2)本發(fā)明將光纖起偏器、第二單模保偏光纖、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲、溫度傳感器和第一光纖連接器設(shè)置于殼體內(nèi)，起到了很好的保護(hù)作用；

3)本發(fā)明通過在主機(jī)中設(shè)置溫控單元，從而能夠?qū)崟r(shí)測得原子氣室內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié)雙絞加熱絲產(chǎn)生的熱量保證原子氣室內(nèi)的溫度恒定，從而保證原子氣室內(nèi)的堿金屬原子數(shù)持續(xù)增加；

4)本發(fā)明將尾纖vcsel激光器、光纖起偏器、光纖1/4波片、原子氣室和光纖光電探測器通過單模保偏光纖相連接，相比于現(xiàn)有技術(shù)中，無需同軸安裝，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，并且磁力儀探頭體積小，易于小型化和工程化生產(chǎn)；

5)本發(fā)明中的原子氣室能實(shí)現(xiàn)光在光纖多次全反射的過程中與光纖內(nèi)堿金屬原子相互作用，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)下的原子氣室，在相同長度下可獲得更長的相互作用距離，提高了信噪比，從而提高測量外界磁場信號(hào)的穩(wěn)定性；

6)本發(fā)明中的殼體內(nèi)僅設(shè)置有光纖起偏器、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲和熱敏電阻，探頭結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便；

7)本發(fā)明中的尾纖vcsel激光器和光纖光電探測器均設(shè)置于磁力儀主機(jī)內(nèi)部，主機(jī)電路與尾纖vcsel激光器安裝在同一塊電路板上，大大減小了對(duì)微波源輸出功率的要求，降低了主機(jī)整體功耗以及設(shè)計(jì)電路板的難度。

附圖說明

圖1(a)示出了本發(fā)明的cpt構(gòu)成的一個(gè)λ系統(tǒng)的示意圖；

圖1(b)示出了本發(fā)明的在外磁場作用下⁸⁷rb原子d1線的3個(gè)λ系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出了本發(fā)明的磁場與光路方向平行時(shí)cpt共振信號(hào)的示意圖；

圖3示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

圖3示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本發(fā)明提供了一種光纖型cpt原子磁力儀物理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：主機(jī)、第一單模保偏光纖21、光纖起偏器3、第二單模保偏光纖22、光纖1/4波片4、原子氣室5、雙絞加熱絲6、溫度傳感器7、第一光纖連接器81和第三單模保偏光纖23。其中，

主機(jī)包括尾纖vcsel激光器1、光纖光電探測器9、第二光纖連接器82和溫控單元10。具體的，尾纖vcsel激光器1通過第一單模保偏光纖21與光纖起偏器3相連接，光纖起偏器3通過第二單模保偏光纖22與光纖1/4波片4相連接，光纖1/4波片4、原子氣室5與第一光纖連接器81依次相連接，第一光纖連接器81通過第三單模保偏光纖23與第二光纖連接器82相連接。

雙絞加熱絲6繞設(shè)于原子氣室5的外表面，溫度傳感器7設(shè)置于原子氣室5的外表面，雙絞加熱絲6和溫度傳感器7通過溫控電纜11分別與溫控單元10相連接；雙絞加熱絲6用于在原子氣室5內(nèi)產(chǎn)生熱量，溫控單元10通過溫度傳感器7控制原子氣室5的溫度。具體的，溫度傳感器7實(shí)時(shí)監(jiān)測原子氣室5的溫度并傳輸給溫控單元10，溫控單元10根據(jù)溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)雙絞加熱絲6產(chǎn)生的熱量，能夠?qū)υ託馐?的長時(shí)間恒溫控制。

尾纖vcsel激光器1用于產(chǎn)生線偏振光。

光纖起偏器3通過第一單模保偏光纖21與尾纖vcsel激光器1相連接，用于衰減線偏振光。

光纖1/4波片4通過第二單模保偏光纖22與光纖起偏器3相連接，用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。具體實(shí)施時(shí)，光纖起偏器3與光纖1/4波片4通過第二單模保偏光纖22連接，保證進(jìn)入光纖1/4波片4的光為未衰減的線偏振光，旋轉(zhuǎn)光纖1/4波片4的快慢軸，使得入射的線偏振光偏振方向與光纖1/4波片4快慢軸呈45°時(shí)可獲得圓偏振光輸出，滿足cpt信號(hào)產(chǎn)生的條件。

原子氣室5與光纖1/4波片4相連接，用于放置堿金屬原子與緩沖氣體，并使得堿金屬原子與圓偏振光在外界磁場的作用下發(fā)生光與原子的相互作用產(chǎn)生與外界標(biāo)量磁場一致的cpt光信號(hào)。需要理解的是，緩沖氣體選用本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的氣體，例如氮?dú)?，氖氣等，在緩沖氣體的環(huán)境下，能夠有效的使金屬原子與圓偏振光發(fā)生光與原子的相互作用。

光纖光電探測器9通過第二光纖連接器82與第三單模保偏光纖23相連接，第三單模保偏光纖23通過第一光纖連接器81與原子氣室相連接，用于接收cpt光信號(hào)，并將cpt光信號(hào)轉(zhuǎn)換為cpt電信號(hào)。

原子氣室5為將注入堿金屬原子及緩沖氣體的中空的光纖通過光纖拉錐技術(shù)密封而成；原子氣室5與光纖1/4波片4相連接；原子氣室5外層纏繞雙絞加熱絲6，并貼附熱敏電阻7，用于控制原子氣室5的溫度。雙絞加熱絲采用無磁材料鎢絲纏繞而成。

具體地，原子氣室5為采用光纖拉錐技術(shù)將中空的光纖拉長并密封，從而使得原子氣室5的結(jié)構(gòu)性對(duì)稱，并提高輸出cpt光信號(hào)的穩(wěn)定性。

尾纖vcsel激光器1發(fā)射線偏振光，線偏振光經(jīng)第一單模保偏光纖21傳輸?shù)焦饫w起偏器3后，通過調(diào)節(jié)光纖起偏器3獲得衰減的線偏振光，衰減后的線偏振光通過第二單模保偏光纖22到達(dá)光纖1/4波片4，經(jīng)光纖1/4波片4轉(zhuǎn)換為圓偏振光，在緩沖氣體和外界磁場的條件下圓偏振光在原子氣室5內(nèi)與堿金屬原子發(fā)生相互作用產(chǎn)生cpt光信號(hào)，光纖光電探測器9用于接收cpt光信號(hào)，并將cpt光信號(hào)轉(zhuǎn)換為cpt電信號(hào)，經(jīng)過對(duì)該cpt電信號(hào)的解調(diào)和解算可獲知當(dāng)前當(dāng)?shù)匚恢锰幫饨绱艌龅臉?biāo)量磁場值。需要說明的是，光在原子氣室5內(nèi)以全反射的方式進(jìn)行傳輸，從而使得圓偏振光與堿金屬原子發(fā)生相互作用的距離變長，提高了信噪比，從而提高測量外界磁場信息的穩(wěn)定性。

本發(fā)明中將尾纖vcsel激光器和光纖光電探測器設(shè)置于主機(jī)內(nèi)，從而無須連接微波信號(hào)傳輸用的高頻電纜，減少了探頭剩磁，大大提高了磁力儀測量磁場的精度；并且本發(fā)明將光纖起偏器、第二單模保偏光纖、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲、溫度傳感器和第一光纖連接器設(shè)置于殼體內(nèi)，起到了很好的保護(hù)作用；并且本發(fā)明通過在主機(jī)中設(shè)置溫控單元，從而能夠?qū)崟r(shí)測得原子氣室內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié)雙絞加熱絲產(chǎn)生的熱量保證原子氣室內(nèi)的溫度恒定，從而保證原子氣室內(nèi)的堿金屬原子數(shù)持續(xù)增加；并且本發(fā)明將尾纖vcsel激光器、光纖起偏器、光纖1/4波片、原子氣室和光纖光電探測器通過單模保偏光纖相連接，相比于現(xiàn)有技術(shù)中，無需同軸安裝，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，并且磁力儀探頭體積小，易于小型化和工程化生產(chǎn)；并且本發(fā)明中的原子氣室能實(shí)現(xiàn)光在光纖多次全反射的過程中與光纖內(nèi)堿金屬原子相互作用，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)下的原子氣室，在相同長度下可獲得更長的相互作用距離，提高了信噪比，從而提高測量外界磁場信號(hào)的穩(wěn)定性；并且本發(fā)明中的殼體內(nèi)僅設(shè)置有光纖起偏器、光纖1/4波片、原子氣室、雙絞加熱絲和熱敏電阻，探頭結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便；并且本發(fā)明中的尾纖vcsel激光器和光纖光電探測器均設(shè)置于磁力儀主機(jī)內(nèi)部，主機(jī)電路與尾纖vcsel激光器安裝在同一塊電路板上，大大減小了對(duì)微波源輸出功率的要求，降低了主機(jī)整體功耗以及設(shè)計(jì)電路板的難度。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。