一种基于光纤微腔的磁强计气室、制备与填充方法及全光纤磁强计

本发明涉及磁场传感技术，尤其涉及一种基于光纤微腔的磁强计气室、制备与填充方法及全光纤磁强计。

背景技术：

1、磁强计作为一种专门用来测量磁场大小的仪器，在军事国防、地质勘探、深空探测、生物医学等多个领域有着广泛应用。原子磁强计利用光场和原子的相互作用使原子极化，通过探测原子自旋进动信号，实现对被测磁场的测量。

2、在现有的研究中，原子磁强计的碱金属气室多为采用玻璃精密熔接工艺制造的密闭透明玻璃腔室以及玻璃-硅-玻璃三层键合的芯片级气室，存在着体积较大、集成度差、难以大批量制造的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤微腔的磁强计气室，具有体积小、集成度高、可大批量制造的优点，并且可实现原子磁强计的全光纤结构。

2、本发明提供上述磁强计气室的制备与填充方法及基于上述磁强计气室的全光纤磁强计。

3、本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

4、一种基于光纤微腔的磁强计气室，包括：

5、具有光学微腔的单模光纤，所述光学微腔位于所述单模光纤的入射端面和出射端面之间；

6、所述光学微腔内至少填充有碱金属气体。

7、进一步的，所述光学微腔包括第一锥形部和第二锥形部，所述第一锥形部和第二锥形部之间底面相接并且相互对称。

8、进一步的，所述光学微腔内还填充有缓冲气体和淬灭气体中的至少一种。

9、一种磁强计气室的制备与填充方法，包括如下步骤：

10、步骤100：将一根单模光纤的一侧端面与另一根单模光纤的一侧端面各自切平；

11、步骤200：在两根单模光纤已切平的端面上各自刻蚀出一光学微孔；

12、步骤300：将碱金属气体填充于两根单模光纤的光学微孔内后，再将两根单模光纤的光学微孔加热熔接，使之连接封闭形成所述光学微腔。

13、进一步的，所述光学微孔为锥形微孔，其孔径从光纤端面向光纤内部逐渐变小。

14、进一步的，在步骤200中，在两根单模光纤已切平的端面上各自刻蚀出一光学微孔的步骤如下：

15、步骤210：将所述单模光纤插入到陶瓷插芯内，其中已切平的端面伸出至所述陶瓷插芯外；

16、步骤220：将所述单模光纤和陶瓷插芯相互固定；

17、步骤230：抓取所述陶瓷插芯，并对所述单模光纤已切平的端面进行研磨，以将所述单模光纤已切平的端面研磨至与所述陶瓷插芯的端面齐平；

18、步骤240：将所述陶瓷插芯从所述单模光纤上去除；

19、步骤250：将所述单模光纤经研磨的端面浸入到氢氟酸溶液中，使所述氢氟酸溶液在所述单模光纤经研磨的端面上刻蚀出所述光学微孔；

20、步骤260：重复步骤210-步骤250，以在另一根单模光纤已切平的端面上制作出相同的光学微孔。

21、进一步的，在步骤300中，将碱金属气体填充于两根单模光纤的光学微孔内后，再将两根单模光纤的光学微孔加热熔接，使之连接封闭形成所述光学微腔的步骤如下：

22、步骤310：将两根单模光纤以及碱金属单质置于密闭腔室中，其中两根单模光纤的光学微孔相对设置；

23、步骤320：对所述密闭腔室进行抽真空，使所述密闭腔室形成真空环境；

24、步骤330：对所述密闭腔室内的碱金属单质进行加热，使所述碱金属单质汽化溢出所述碱金属气体；

25、步骤340：待两根单模光纤的光学微孔内充满所述碱金属气体后，调节两根单模光纤之间的相对位置，以将两根单模光纤的光学微孔相互对准并抵接形成未封闭的光学微腔；

26、步骤350：对两根单模光纤的抵接处进行加热，使两根单模光纤的光学微孔在抵接处熔接在一起。

27、进一步的，在步骤330中，还将缓冲气体和淬灭气体中的至少一种填充于两根单模光纤的光学微孔内。

28、一种全光纤磁强计，包括泵浦光源、第一45°倾斜光纤光栅、双折射啁啾螺旋光纤光栅、探测光源、第二45°倾斜光纤光栅、光纤耦合器、上述的磁强计气室、光纤滤波器、光强分析仪和磁场发生器，所述泵浦光源依次通过所述第一45°倾斜光纤光栅和双折射啁啾螺旋光纤光栅连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述探测光源通过所述第二45°倾斜光纤光栅连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述磁强计气室的入射端面，所述光强分析仪通过所述光纤滤波器连接至所述磁强计气室的出射端面；所述第一45°倾斜光栅的偏振方向与所述双折射啁啾螺旋光纤光栅的长轴或短轴相平行，所述磁场发生器设置于所述磁强计气室外。

29、进一步的，所述全光纤磁强计还包括无磁加热箱，所述无磁加热箱设置于所述磁强计气室外。

30、本发明具有如下有益效果：本发明的磁强计气室以所述单模光纤内部的光学微腔作为载体，通过往所述光学微腔内填充所述碱金属气体形成，可以保证高气密性、高面形精度以及良好的气室内壁状态，同时较易实现在真空环境中完成所述碱金属气体的释放与填充，以及实现原子磁强计的全光纤结构，进而推动所述原子磁强计向小体积、长寿命、高性能、微型化、集成化方向发展。

技术特征：

1.一种基于光纤微腔的磁强计气室，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的磁强计气室，其特征在于，所述光学微腔包括第一锥形部和第二锥形部，所述第一锥形部和第二锥形部之间底面相接并且相互对称。

3.根据权利要求1所述的磁强计气室，其特征在于，所述光学微腔内还填充有缓冲气体和淬灭气体中的至少一种。

4.一种磁强计气室的制备与填充方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备与填充方法，其特征在于，所述光学微孔为锥形微孔，其孔径从光纤端面向光纤内部逐渐变小。

6.根据权利要求4所述的制备与填充方法，其特征在于，在步骤200中，在两根单模光纤已切平的端面上各自刻蚀出一光学微孔的步骤如下：

7.根据权利要求1所述的制备与填充方法，其特征在于，在步骤300中，将碱金属气体填充于两根单模光纤的光学微孔内后，再将两根单模光纤的光学微孔加热熔接，使之连接封闭形成所述光学微腔的步骤如下：

8.根据权利要求7所述的制备与填充方法，其特征在于，在步骤330中，还将缓冲气体和淬灭气体中的至少一种填充于两根单模光纤的光学微孔内。

9.一种全光纤磁强计，其特征在于，包括泵浦光源、第一45°倾斜光纤光栅、双折射啁啾螺旋光纤光栅、探测光源、第二45°倾斜光纤光栅、光纤耦合器、权利要求1所述的磁强计气室、光纤滤波器、光强分析仪和磁场发生器，所述泵浦光源依次通过所述第一45°倾斜光纤光栅和双折射啁啾螺旋光纤光栅连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述探测光源通过所述第二45°倾斜光纤光栅连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述磁强计气室的入射端面，所述光强分析仪通过所述光纤滤波器连接至所述磁强计气室的出射端面；所述第一45°倾斜光栅的偏振方向与所述双折射啁啾螺旋光纤光栅的长轴或短轴相平行，所述磁场发生器设置于所述磁强计气室外。

10.根据权利要求9所述的全光纤磁强计，其特征在于，所述全光纤磁强计还包括无磁加热箱，所述无磁加热箱设置于所述磁强计气室外。

技术总结本发明公开了一种基于光纤微腔的磁强计气室，包括：具有光学微腔的单模光纤，所述光学微腔位于所述单模光纤的入射端面和出射端面之间；所述光学微腔内至少填充有碱金属气体。该磁强计气室具有体积小、集成度高、可大批量制造的优点，并且可实现原子磁强计的全光纤结构。本发明公开上述磁强计气室的制备与填充方法及基于上述磁强计气室的全光纤磁强计。技术研发人员：刘申,侯静怡,张维冠,王义平,林侨,丁鑫,王明秀,肖月亮,李聪敏受保护的技术使用者：深圳大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18