一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，由物理系統和電路系統構成，兩部分之間通過線束插頭和高頻信號線連接。物理系統由激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室、加熱片、溫度傳感器和光電探測器組成,電路系統由微處理器、PD采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調制微波源和觸摸顯示屏組成。本實用新型采用激光作為干涉光源，激光的窄線寬特性和消多普勒效應，能夠確保此測磁裝置具有pT量級的靈敏度；將調制微波信號直接加載到激光源上的工作方式，避免了在原子氣室兩側布置射頻線圈，從而有效減少此測磁裝置物理系統(傳感部分)的體積；不需要考慮原子介質極化時間的限制，能夠實現高速連續測量。
【專利說明】
一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種磁場測量裝置，具體而言，涉及一種基于相干粒子數俘獲(CPT)效應的磁場測量裝置，屬于磁場測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]磁場測量可用于地球物理研究、油氣和礦產勘查、軍事國防、醫學診斷、地質調查及考古研究等領域。用于磁場測量的傳統磁力儀包括磁通門磁力儀、質子旋進磁力儀、光泵磁力儀、超導量子干涉磁力儀等。但是目前上述磁力儀在體積、功耗、測量范圍和精度方面都存在令人不滿意的地方，比如磁通門磁力儀的探頭部分多由在高磁導率的磁芯上纏繞線圈制作而成，體積和重量較大、測量精度偏低；質子旋進磁力儀耗電量大，只能進行低帶寬間斷測量；光泵磁力儀雖然具有較高的靈敏度和響應頻率，但其探頭體積較大；超導量子干涉磁力儀必需的低溫制冷系統使得其結構復雜，體積龐大。因此，迫切需要一種新的技術手段來解決以上問題，獲得一種結構簡單、精度高、體積小、功耗低且性能穩定的磁力儀。近幾年，隨著量子光學和原子操控技術的發展，基于相干粒子數捕獲(Coherent Populat1nTrapping,CPT)效應的原子干涉磁力儀通過檢測激光與原子作用后的透射光譜來實現對磁場的測量，有望解決磁測量技術目前發展的難題。
實用新型內容
[0003]本實用新型解決的技術問題是:克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，降低了磁力儀的體積和功耗，提高了測量靈敏度，擴大了測量范圍。
[0004]本實用新型的技術解決方案是:一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，由物理系統和電路系統構成，物理系統由激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室、加熱片、溫度傳感器和光電探測器組成，電路系統由微處理器、PD采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調制微波源和觸摸顯示屏組成；激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室和光電探測器依次設置在同一軸線上，溫度傳感器安裝在原子氣室的外壁上，加熱片安裝在原子氣室的一端或兩端；^)采集電路與光電探測器相連，原子氣室溫控電路與加熱片和溫度傳感器相連用于采集和控制原子氣室[105]的溫度，激光二極管溫控電路和激光二極管電流控制電路與激光二極管相連用于控制激光二極管的溫度和電流；調制微波源與激光二極管相連用于控制激光二極管的邊帶頻率掃描；微處理器與ro采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調制微波源和觸摸顯示屏相連接實現對物理系統的控制和磁場測量。
[0005]微處理器通過串口與所述觸摸顯示屏相連接。
[0006]所述激光二極管采用垂直腔表面發射半導體激光器。
[0007]所述原子氣室內封裝銣原子和緩沖氣體。
[0008]本實用新型與現有技術相比的有益效果:
[0009](I)本實用新型采用激光作為干涉光源，激光的窄線寬特性和消多普勒效應，確保此測磁裝置具有PT量級的準確度；
[0010](2)本實用新型將調制微波信號直接加載到激光源上的工作方式，避免了在原子氣室兩側布置射頻線圈，從而有效減少此測磁裝置物理系統(傳感部分)的體積。
[0011](3)本實用新型不需要考慮原子介質極化時間的限制，能夠實現高速連續測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型系統連接與結構示意圖；
[0013]圖2是本實用新型實施例的物理系統結構圖；
[0014]圖3是本實用新型的控制與測量流程圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明，但不作為對本實用新型的限定。
[0016]采用本實用新型實施例的基于CPT原理的磁場測量裝置，系統連接與結構如圖1所示，分為物理系統和電路系統兩部分，兩部分之間通過線束插頭和高頻信號線連接。物理部分依次由激光二極管101、透鏡102、衰減片103、四分之一波片104、原子氣室105光電探測器108和加熱片106、溫度傳感器107構成，用于完成光與原子間相互作用，實現CPT效應。激光二極管101、透鏡102、衰減片103、四分之一波片104、原子氣室105和光電探測器108依次設置在同一軸線上，溫度傳感器107安裝在原子氣室105的外壁上，加熱片106安裝在原子氣室105的一端或兩端。電路系統由微處理器201、Η)采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調制微波源206和觸摸顯示屏207組成；Η)采集電路202與光電探測器108相連，原子氣室溫控電路204與加熱片106、溫度傳感器107相連用于采集和控制原子氣室105的溫度，激光二極管溫控電路203和激光二極管電流控制電路205與激光二極管101相連用于控制激光二極管101的溫度和電流；調制微波源206與激光二極管101相連用于控制激光二極管101的邊帶頻率掃描，微處理器201與H)采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調制微波源206和觸摸顯示屏207相連接實現對物理系統的控制和磁場測量。線束插頭分別連接光電探測器108和H)采集電路202，加熱片106、溫度傳感器107和原子氣室溫控電路204，激光二極管溫控電路203、激光二極管電流控制電路205和激光二極管101 ;高頻信號線連接調制微波源206和激光二極管101。
[0017]本實用新型具體實施例的物理系統結構圖參見圖2，也即磁力儀的傳感部分，為柱形探頭，在本實施例中，激光二極管101采用垂直腔表面發射半導體激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser, VCSEL),具有體積小、方向性好、響應速度快、功率損耗低、動態調制頻率高等特點，滿足本實用新型測磁裝置對光源部分的要求，并且VCSEL激光二極管的內部集成有半導體制冷器(TEC)和負溫度系數熱敏電阻(NTC)，便于控制激光二極管的溫度。原子氣室105內封裝銣原子和緩沖氣體，提供測量磁場的干涉介質。
[0018]物理系統是以激光二極管101和原子氣室105作為核心部件，通過衰減片103和四分之一波片104調整兩束激光的強度，再把激光二極管101所發出的線偏振光轉變為圓偏振光。激光束與原子氣室105內的銣原子相互作用后，由光電探測器108接收帶有磁場信息的光信號，并把光信號轉化為電信號，傳給電路系統部分。
[0019]本實用新型具體實施例的電路系統部分主要由微處理器201、PD采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調制微波源206和觸摸顯示屏207構成。微處理器201包括但不限于單片機、DSP或FPGA，具有滿足本實用新型裝置的外圍接口電路，如模擬-數字和數字-模擬轉換電路，串口等，在本實施例中，選擇STM32系列芯片完成對激光二極管101、原子氣室105、光電探測器108、調制微波源206和觸摸顯示屏207的控制。
[0020]激光二極管溫控電路203和激光二極管電流控制電路205用于調節激光二極管101的溫度和電流，確保激光中心波長(794.976nm)不變。
[0021]在具體實施例中，激光二極管溫控電路203與激光二極管101的TEC和NTC管腳相連。TEC熱電制冷調節器是一個可以自由控制加熱或者制冷的芯片，控制端由外接的電流來控制是加熱還是制冷。NTC熱敏電阻是一個負溫度系數的熱敏電阻，利用恒流源芯片REF200產生一個電流，流經熱敏電阻從而在NTC輸入端產生一個電壓，此電壓就是熱敏電阻的電壓，通過測量電壓值就能得到此時熱敏電阻的阻值(溫度每變化0.003K，NTC阻值變化0.358 Ω。采用200mA恒流芯片時，對應電壓變化0.072V)，從而反算出此時激光二極管101的工作溫度。電壓值輸入到微處理器201與預設溫度對比，通過調節TEC兩端電流的流向和大小來控制升溫或降溫。
[0022]在具體實施例中，激光二極管電流控制電路205包括恒定電流控制、頻率掃描控制和穩頻反饋控制電流輸入。恒定電流控制通過微處理器201的數字-模擬端輸出一個恒定電壓，后接一路電壓跟隨器，其目的是隔離輸入與輸出使負載端不會影響輸入端，另外集成運放的高輸入電阻和低輸出電阻的特性可以增強輸入端的帶負載能力；頻率掃描控制通過微處理器201的數字-模擬端輸出一組鋸齒波信號，同樣后接一路電壓跟隨器去信號干擾；穩頻反饋控制電流輸入包括三部分:(I)將恒定電流和頻率掃描的求和放大電路，(2)電壓跟隨器，(3)AD623儀表放大器構成的反饋回路，這樣電壓跟隨器輸出端會輸出一個可調電流，此電流為激光二極管101的驅動電流。
[0023]原子氣室溫控電路204用于保持原子氣室的溫度穩定，使銣原子的密度適合，優化干涉效果，從而提高系統的精度和穩定性。在具體實施例中，原子氣室溫控電路204連接加熱片106和溫度傳感器107。固定在原子氣室105上的溫度傳感器107采用LM335，將原子氣室105的溫度采集后，通過模擬-數字轉換到微處理器201，微處理器201將采集溫度值與設定值對比判斷是否應該加熱，如果溫度不夠需要加熱則通過I/O 口輸出固定電壓給加熱片，否則關斷加熱片。
[0024]調制微波源206用于控制調制微波源的頻率，將3.417GHz的調制信號注入激光二極管101，對其波長進行調制，使產生頻率間隔為3.417GHz的多色光，對應的±1極邊帶是磁場測量中所需要的兩個光場。在具體實施例中，調制微波源206采用輸出頻率3416.8-3417.8MHz，最小步進0.1Hz的微波信號，驅動電路主要是微處理器201的4個管腳，其中數據輸出端輸出32位二進制數字信號控制調制微波源的頻率輸出。
[0025]在具體實施例中，PD采集電路202由模擬-數字轉換電路構成。光電探測器108輸出的電信號通過ro采集電路202轉換輸入到微處理器201中，然后通過程序確定信號峰值對應的調制微波源頻率，據此計算出磁場強度。
[0026]在具體實施例中，觸摸顯示屏207以實時曲線和數字兩種方式顯示計算磁場強度值，提供激光調節、CPT優化、磁場測量、自動測量等按鈕。設置尋峰范圍、中心點、掃描步長等參數輸入框。
[0027]本實用新型的控制測量過程如圖3所示，
[0028]步驟201:開始，進入測量準備階段；
[0029]步驟202:利用激光二極管溫控電路203對激光二極管101預熱；
[0030]步驟203:微處理器201判斷激光二極管101的溫度是否達到Tl，如果是，就進入步驟206，否則轉到步驟202，所述Tl為激光二極管101所需達到的預設溫度值；
[0031]步驟204:利用原子氣室溫控電路204進行原子氣室105預熱；
[0032]步驟205:微處理器201判斷原子氣室105的溫度是否達到T2，如果是，就進入步驟206，否則轉到步驟204，所述T2為原子氣室105所需達到的預設溫度值；
[0033]步驟206:微處理器201判斷激光二極管101和原子氣室105的溫度是否都達到預設值，如果是，說明激光頻率和原子密度滿足實現相干粒子數捕獲的條件，就進入步驟207，否則返回步驟201 ；
[0034]步驟207:利用激光二極管電流控制電路205調整激光二極管101的電流，使激光穩定在所需頻率上；
[0035]步驟208:微處理器201控制調制微波源206在大頻率范圍內掃描，得到CPT側峰所對應的微波頻率區間W，所述大頻率范圍一般指IMHz范圍內；
[0036]步驟209:結束準備階段，進入測量階段，關閉加熱片106，避免對磁場測量結果的影響；
[0037]步驟210:微處理器201控制調制微波源206在W頻率范圍內進行精密掃描，采用相敏檢波得到CPT側峰對應的微波頻率V ；
[0038]步驟211:判斷所述微波頻率V是否在掃描區間W的邊緣，如果是，說明需要重新掃描CPT側峰所對應的微波頻率區間W，返回步驟208，否則進入步驟212 ；
[0039]步驟212:微處理器201利用CPT側峰與中間峰的頻率差，計算磁場強度值，并將計算結果輸出到觸摸顯示屏207上；
[0040]步驟213:微處理器201判斷原子氣室105的溫度是否小于T2，如果是，說明原子氣室105需要加熱，就進入步驟214，否則返回步驟210，進行磁場的連續測量；
[0041]步驟214:打開加熱片106，對原子氣室105進行加熱，直到測量結束。
[0042]以上所述的實施例只是本實用新型較優選的【具體實施方式】，本領域的技術人員在本實用新型技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本實用新型的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，其特征在于:由物理系統和電路系統構成，物理系統由激光二極管[101]、透鏡[102]、衰減片[103]、四分之一波片[104]、原子氣室[105]、加熱片[106]、溫度傳感器[107]和光電探測器[108]組成，電路系統由微處理器[201]、H)采集電路[202]、激光二極管溫控電路[203]、原子氣室溫控電路[204]、激光二極管電流控制電路[205]、調制微波源[206]和觸摸顯示屏[207]組成；激光二極管[101]、透鏡[102]、衰減片[103]、四分之一波片[104]、原子氣室[105]和光電探測器[108]依次設置在同一軸線上，溫度傳感器[107]安裝在原子氣室[105]的外壁上，加熱片[106]安裝在原子氣室[105]的一端或兩端刊采集電路[202]與光電探測器[108]相連，原子氣室溫控電路[204]與加熱片[106]和溫度傳感器[107]相連用于采集和控制原子氣室[105]的溫度，激光二極管溫控電路[203]和激光二極管電流控制電路[205]與激光二極管[101]相連用于控制激光二極管[101]的溫度和電流；調制微波源[206]與激光二極管[101]相連用于控制激光二極管[101]的邊帶頻率掃描；微處理器[201]與H)采集電路[202]、激光二極管溫控電路[203]、原子氣室溫控電路[204]、激光二極管電流控制電路[205]、調制微波源[206]和觸摸顯示屏[207]相連接實現對對物理系統的控制和磁場測量。
2.根據權利要求1所述的一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，其特征在于:所述微處理器[201]通過串口與所述觸摸顯示屏[207]相連接。
3.根據權利要求1所述的一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，其特征在于:所述激光二極管[101]采用垂直腔表面發射半導體激光器。
4.根據權利要求1所述的一種基于相干粒子數俘獲效應的磁場測量裝置，其特征在于:所述原子氣室[105]內封裝銣原子和緩沖氣體。
【文檔編號】G01R33/02GK203950025SQ201420317831
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】寇軍, 王增斌, 李凱, 張笑楠, 魏小剛, 楊峰, 孫曉潔, 朱志忠, 趙博濤, 楊文良 申請人:北京航天控制儀器研究所