基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法技术方案

基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法，基于一束光实现碱金属原子抽运和磁场检测技术，通过采集光信号来获取磁场信息，并将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分PI在线控制，并将控制量反馈给声光调制器AOM的驱动模块实现闭环，能够抑制极化率波动而提高系统稳定性，从而有利于提高磁强计抵抗外界扰动的能力，解决原子磁强计因为光强和温度变化而无法工作的问题，具有很大的实际应用潜力。有很大的实际应用潜力。有很大的实际应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及原子磁强计极化率控制
，特别是一种基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法，基于一束光实现碱金属原子抽运和磁场检测技术，通过采集光信号来获取磁场信息，并将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分PI在线控制，并将控制量反馈给声光调制器AOM的驱动模块实现闭环，能够抑制极化率波动而提高系统稳定性，从而有利于提高磁强计抵抗外界扰动的能力，解决原子磁强计因为光强和温度变化而无法工作的问题，具有很大的实际应用潜力。

技术介绍

[0002]随着精密测量技术的进步，基于磁、光与原子相互作用的光抽运原子磁强计在弱磁测量领域表现出巨大潜力，其中基于无自旋交换弛豫(Spin
‑
Exchange Relaxation
‑
Free，SERF)效应的原子磁强计可实现aT/Hz
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量级的超高磁测量灵敏度受到广泛关注。在SERF原子磁强计中，单光束调制式原子磁强计具有结构简单、易于小型化以及低成本的特性，已成为目前新一代心脑磁测量装置中的主流磁场传感器。
[0003]但是高度的集成化结构使得抽运光很容易受光纤抖动、温度变化的影响，从而引起磁强计输出信号不稳定甚至超过线性区而无法工作，这不利于需要长期稳定的生物磁测量应用。因此需要一种对极化率实时稳定的在线控制方法。目前对磁强计极化率稳定性的研究较少，多集中在对激光器的性能调控上，而不触及信号响应本质，基于此本专利技术人完成了本专利技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法，基于一束光实现碱金属原子抽运和磁场检测技术，通过采集光信号来获取磁场信息，并将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分PI在线控制，并将控制量反馈给声光调制器AOM的驱动模块实现闭环，能够抑制极化率波动而提高系统稳定性，从而有利于提高磁强计抵抗外界扰动的能力，解决原子磁强计因为光强和温度变化而无法工作的问题，具有很大的实际应用潜力。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，包括单光束SERF原子磁强计系统，所述单光束SERF原子磁强计系统采用一束光实现碱金属原子的抽运和磁场的检测，通过光电探测器采集光信号来获取磁场信息，通过将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分PI在线控制，并将控制量反馈给声光调制器AOM的驱动模块实现闭环，从而抑制极化率波动而提高系统稳定性。
[0007]所述单光束SERF原子磁强计系统包括沿碱金属气室z轴方向穿越的单光束，所述碱金属气室的单光束入射端依次通过1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、准直器和声光调制
器AOM连接分布式布拉格反射DBR激光器，所述碱金属气室的单光束出射端连接光电探测器，所述光电探测器通过跨阻放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器分别连接比例积分PI在线控制模块和上位机，所述比例积分PI在线控制模块分别连接所述声光调制器AOM和上位机。
[0008]所述碱金属气室的外围向外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁场线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁场线圈通过信号发生器连接所述锁相放大器，所述准直器、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片和光电探测器均位于所述磁屏蔽桶的内腔中，声光调制器AOM通过保偏光纤连接所述准直器。
[0009]所述光电探测器采集包含了磁场信息的光信号，所述1/4波片将线偏振光变为左旋或右旋圆偏振光，所述1/2波片和偏振分光棱镜的组合确保透射光和反射光光强之比为9:1，所述光电探测器采集到的光信号经跨阻放大器放大后进入锁相放大器，所述锁相放大器解调得到信号的直流分量P
zDC
和一次谐波分量P
zω
，所述直流分量P
zDC
经过所述比例积分PI在线控制模块反馈给所述AOM的驱动模块，从而实现极化率的闭环稳定和在线控制。
[0010]所述碱金属气室中的碱金属原子包括钾原子、铷原子、铯原子其中的一种，以及作为缓冲气体和淬灭气体的氮气。
[0011]所述DBR激光器发出的一束光频率在所使用碱金属原子D1线的中心。
[0012]所述信号发生器驱动三轴磁场线圈施加频率为30.5Hz和幅值为100pTrms的标定磁场，以及为完成补偿三轴剩磁而施加调制频率为1～2kHz和调制幅值为100～150nT的调制磁场。
[0013][0014][0015]其中R
op
为光抽运率，R
rel
为弛豫率，γ为经典电子半径，B
x0
为x轴方向的剩余磁场，J0为零阶贝塞尔级数，J1为一阶贝塞尔级数，B
m
为调制磁场幅值，Q为核减慢因子，ω
m
为调制频率。
[0016]基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制方法，其特征在于，采用上述基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统。
[0017]包括以下步骤：
[0018]步骤1，使用无磁电加热系统根据碱金属原子的不同将碱金属气室加热至140℃～200℃之间，此时碱金属原子气化，完成SERF态所需的高原子密度条件；
[0019]步骤2，打开DBR激光器与AOM，调节DBR激光器的温度和电流使得抽运激光的频率为碱金属原子D1线的中心频率，打开信号发生器，使用三轴磁场线圈补偿三轴剩磁，使碱金属原子处于零磁环境，完成SERF态所需的极弱磁场条件，至此单光束SERF原子磁强计进入工作状态；
[0020]步骤3，使用信号发生器利用三轴磁场线圈施加高频调制磁场，调制频率为1K～
2KHz，调制幅值为100～150nT；
[0021]步骤4，利用锁相放大器解调出磁强计信号的直流分量P
zDC
和一次谐波分量
[0022]步骤5，将解调出来的磁强计信号直流分量经过PI在线控制模块反馈给AOM的驱动模块，实现极化率的闭环稳定和在线控制；
[0023]步骤6，将解调出来磁强计信号的一次谐波分量导入上位机，同时使用信号发生器驱动三轴磁场线圈产生30.5Hz，100pTrms的标定磁场，在上位机中解算得到磁强计的性能指标。
[0024]本专利技术的技术效果如下：本专利技术基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统及方法，采用一束光实现碱金属原子的抽运和磁场的检测，通过采集光信号来获取磁场信息，通过将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分(PI)在线控制，并将控制量反馈给声光调制器(AOM)的驱动模块实现闭环，最终抑制了极化率的波动，达到系统稳定的效果，有利于提高磁强计抵抗外界扰动的能力，从而解决原子磁强计因为光强和温度变化无法工作的问题，具有很大的实际应用潜力。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，包括单光束SERF原子磁强计系统，所述单光束SERF原子磁强计系统采用一束光实现碱金属原子的抽运和磁场的检测，通过光电探测器采集光信号来获取磁场信息，通过将磁强计响应信号的直流分量经由锁相放大器实现比例积分PI在线控制，并将控制量反馈给声光调制器AOM的驱动模块实现闭环，从而抑制极化率波动而提高系统稳定性。2.根据权利要求1所述的基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，所述单光束SERF原子磁强计系统包括沿碱金属气室z轴方向穿越的单光束，所述碱金属气室的单光束入射端依次通过1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、准直器和声光调制器AOM连接分布式布拉格反射DBR激光器，所述碱金属气室的单光束出射端连接光电探测器，所述光电探测器通过跨阻放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器分别连接比例积分PI在线控制模块和上位机，所述比例积分PI在线控制模块分别连接所述声光调制器AOM和上位机。3.根据权利要求2所述的基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，所述碱金属气室的外围向外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁场线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁场线圈通过信号发生器连接所述锁相放大器，所述准直器、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片和光电探测器均位于所述磁屏蔽桶的内腔中，声光调制器AOM通过保偏光纤连接所述准直器。4.根据权利要求3所述的基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，所述光电探测器采集包含了磁场信息的光信号，所述1/4波片将线偏振光变为左旋或右旋圆偏振光，所述1/2波片和偏振分光棱镜的组合确保透射光和反射光光强之比为9:1，所述光电探测器采集到的光信号经跨阻放大器放大后进入锁相放大器，所述锁相放大器解调得到信号的直流分量和一次谐波分量所述直流分量经过所述比例积分PI在线控制模块反馈给所述AOM的驱动模块，从而实现极化率的闭环稳定和在线控制。5.根据权利要求1所述的基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化率在线控制系统，其特征在于，所述碱金属气室中的碱金属原子包括钾原子、铷原子、铯原子其中的一种，以及作为缓冲气体和淬灭气体的氮气。6.根据权利要求1所述的基于AOM的单光束SERF原子磁强计极化...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐钧剑，曹俐，翟跃阳，张耀华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：