激光泵浦磁强计及其控制方法

本申请涉及精密仪器测量，尤其涉及一种激光泵浦磁强计及其控制方法。

背景技术：

1、磁强计是磁探测和地面磁场观测的基础仪器，广泛应用于地质勘探、医学诊断、航空航天等领域，其中光泵磁强计(optically pumped magnetometer，opm)可作为星载绝对标量磁强计安装于卫星本体之外的伸杆上，进行空间磁场探测。

2、传统的光泵磁强计测量精度不高，因此，亟需一种测量精度高的激光泵浦磁强计。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供了一种激光泵浦磁强计及其控制方法，以解决现有技术中传统的光泵磁强计测量精度不高的问题。

2、本申请实施例的第一方面，提供了一种激光泵浦磁强计，包括泵浦光源、准直偏振模块、原子气室、射频线圈、光电探测器、放大器、控制模块；

3、泵浦光源、准直偏振模块、原子气室与光电探测器依次排列且出入口相对设置，其中泵浦光源发出的线偏振光经过准直偏振模块得到平行的圆偏振光，圆偏振光经过原子气室，原子气室内的原子在圆偏振光的作用下被极化，原子磁矩在待测磁场中产生进动，圆偏振光被原子气室内的原子部分吸收，得到透射光，透射光进入光电探测器；

4、射频线圈外绕在原子气室外，且射频线圈缠绕的轴向与光路方向相同，用于通过射频信号产生射频磁场；

5、光电探测器与放大器的输入端相连接，且光电探测器用于将透射光转换为电信号并发送给放大器；

6、放大器的输出端与射频线圈连接，用于对电信号进行移相放大，得到射频调节信号，并将射频调节信号反馈至射频线圈，射频调节信号用于将射频线圈中射频信号的频率调节至与原子磁矩的进动频率相同，以使射频磁场与待测磁场共振，并将射频信号的频率锁定在进动频率；

7、控制模块包括频率测量模块，频率测量模块与射频线圈连接，用于测量射频信号的频率。

8、本申请实施例的第二方面，提供了一种激光泵浦磁强计的控制方法，应用于上述的激光泵浦磁强计，包括：

9、控制泵浦光源的工作温度在第一预设温度范围内，并控制原子气室的温度在第二预设温度范围内；

10、控制泵浦光源的输出功率为预设功率，并控制泵浦光源的出射波长为预设波长；

11、控制射频线圈产生射频磁场；

12、控制泵浦光源发出线偏振光，并控制线偏振光依次经过准直偏振模块和原子气室，得到线偏振光对应的透射光；其中，原子气室内的原子磁矩在待测磁场中产生进动；

13、控制光电探测器接收透射光对应的光信号，并将光信号转换为电信号；

14、通过放大器对电信号进行移相放大，得到射频调节信号，并控制将射频调节信号反馈至射频线圈，射频调节信号用于将射频线圈中的射频信号调节至射频信号的频率等于原子磁矩的进动频率，以使射频磁场与待测磁场共振，并将射频信号的频率锁定在进动频率；

15、通过频率测量模块获取射频线圈中的射频信号，并确定射频信号的频率，通过数据通信模块将射频信号的频率发送至上位机；

16、在光电探测器接收到的光信号的强度最大时，通过上位机根据射频信号的频率确定待测磁场的强度。

17、本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过泵浦光源发出线偏振光，线偏振光经过准直偏振模块得到平行的圆偏振光，圆偏振光经过原子气室，被原子气室内的原子部分吸收，得到透射光，透射光进入光电探测器，外绕在原子气室外的射频线圈通过射频信号产生射频磁场，调节射频信号频率以使射频磁场与待测磁场共振，并将射频信号的频率锁定在进动频率，由于进动频率正比于待测磁场的大小，通过频率测量模块测量射频信号的频率，即可计算得到待测磁场的大小，从而实现了精度高的待测磁场测量。

技术特征：

1.一种激光泵浦磁强计，其特征在于，包括泵浦光源、准直偏振模块、原子气室、射频线圈、光电探测器、放大器、控制模块；

2.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述准直偏振模块包括准直透镜、滤光片和四分之一波片，并且所述准直透镜、所述滤光片和所述四分之一波片依次排列且中心对齐；

3.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述泵浦光源为单模输出的垂直腔面发射激光器vcsel，且所述vcsel的参数满足输出功率小于预设功率阈值，光斑直径为第一预设直径，出射波长为与铯原子d1线对应的波长。

4.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述原子气室为圆柱形铯吸收室，且所述圆柱形铯吸收室的底面直径为第二预设直径、纵向高度为预设高度。

5.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述原子气室内的压强为第一预设压强，并充有第二预设压强的氮气。

6.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述原子气室的材质为高硼硅酸盐玻璃，且外侧面均匀包裹有隔热石棉，所述隔热石棉被高温胶带包住。

7.根据权利要求1所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述控制模块还包括光源恒流控制模块、光源频率稳定模块、温度采集模块和温度控制模块；

8.根据权利要求7所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述控制模块还包括微控制器、供电模块和数据通信模块；

9.根据权利要求8所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，所述微控制器为stm32f373cct6，所述时间数字转换器为tdc7200；

10.一种激光泵浦磁强计的控制方法，应用于权利要求1至9任一项所述的激光泵浦磁强计，其特征在于，包括：

技术总结本申请提供了一种激光泵浦磁强计及其控制方法。该激光泵浦磁强计包括泵浦光源、准直偏振模块、原子气室、射频线圈、光电探测器、放大器、控制模块；其中，泵浦光源发出的线偏振光经过准直偏振模块得到平行的圆偏振光，圆偏振光经过原子气室，原子气室内的原子在圆偏振光的作用下被极化，原子磁矩在待测磁场中产生进动，圆偏振光被原子气室内的原子部分吸收，得到透射光，透射光进入光电探测器；射频线圈外绕在原子气室外，且射频线圈缠绕的轴向与光路方向相同；光电探测器与放大器的输入端相连接；放大器的输出端与射频线圈连接；控制模块包括频率测量模块，频率测量模块与射频线圈连接。本申请解决了传统光泵磁强计测量精度不高的问题。技术研发人员：汪海涛,侯永伸,张远鹏,刘雪峰,杨林,高新,宋伟伟,赵文博,牛美霞受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院防化研究院技术研发日：技术公布日：2024/12/12