專利名稱：高靈敏度原子磁力儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場測量儀器，尤其是能夠測量極其微弱磁場的儀器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代科技中，微弱磁場的探測是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)?？臻g磁場的信息具有很重要的 應(yīng)用，例如空間和近地表探測、軍事技術(shù)、工業(yè)檢測、人體磁場的探測等。目前使用較多 的微弱磁場測量儀主要有質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀和低溫超導(dǎo)量子干涉磁力儀等。上述 磁場測量技術(shù)有的靈敏度不夠高，有的裝置過于復(fù)雜，從而限制了其使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的微弱磁場測量儀器裝置復(fù)雜和靈敏度有限的問題，本發(fā)明提供了一種新 型的高靈敏度原子磁力儀。該儀器不但具備非常高的靈敏度，而且裝置簡單、功耗小。
本發(fā)明提供一種高靈敏度原子磁力儀，由激光光源l、弱磁場探頭2和信號探測器3三 個(gè)部分構(gòu)成，通過激光光路連接，構(gòu)成高靈敏度原子磁力儀的整體；所述的激光光源1，采 用穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器輸出的與堿金屬原子基態(tài)躍遷頻率共振的圓偏振激光，由激光器4、激 光器控制電路5和四分之一波片6構(gòu)成；所述的弱磁場探頭2，由包含堿金屬飽和蒸汽的玻 璃泡7和調(diào)制線圈8構(gòu)成，包含堿金屬飽和蒸汽的玻璃泡7置于待測磁場中；所述的信號探 測器3，采用光電轉(zhuǎn)換器件9把透過玻璃泡7的激光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時(shí)采用調(diào)制與解 調(diào)的自相關(guān)檢測技術(shù)對電信號進(jìn)行處理，然后使用計(jì)算機(jī)對電信號自動采集、再處理和輸出； 由光電轉(zhuǎn)換器件9、鎖相放大器10和數(shù)據(jù)采集、處理設(shè)備ll構(gòu)成。
本發(fā)明提供的原子磁力儀的測量方法是將包含堿金屬飽和蒸汽的玻璃泡7及其周圍均 勻加熱且保持恒溫，置于待測磁場中；先開啟激光器控制電路5，調(diào)節(jié)激光二極管的電流和 溫度，使半導(dǎo)體激光器4的波長穩(wěn)定，將適用波長的四分之一波片6垂直置于激光光束方向， 調(diào)節(jié)波片的相對角度使得透射光為圓偏振光；在調(diào)制線圈8上加入正弦交變電流，調(diào)節(jié)光路，
使圓偏振光縱向通過原子氣體泡7;并使用高靈敏度硅光電二極管9對透射光強(qiáng)進(jìn)行探測，
將光電二極管的信號輸入鎖相放大器IO進(jìn)行自相關(guān)檢測，并將鎖相放大器的輸出信號輸入計(jì) 算機(jī)ll進(jìn)行采集、處理和最終輸出。
本發(fā)明所提供的原子磁力儀的工作機(jī)理是當(dāng)共振激光通過堿金屬原子氣體的時(shí)候，在 橫向待測微弱磁場作用下造成了原子布居數(shù)轉(zhuǎn)移，從而改變原子氣體對激光強(qiáng)度的吸收率。 通過測量透射激光強(qiáng)度的變化來得到微弱磁場的信號。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 一、裝置簡單，僅需激光光源、弱磁場探頭和光電探測器三個(gè)部分； 二、靈敏度高，這是由于堿金屬原子的能級布居數(shù)對磁場的變化非常敏感，而能級布居數(shù)對 入射激光的吸收率影響很大；三、界面直觀友好，由于充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟硬件在數(shù)據(jù)采集和 處理上的優(yōu)勢，使得界面直觀并且功能強(qiáng)大。


圖1是本發(fā)明所提供的原子磁力儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是激光光源部分的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是弱磁場探頭部分的結(jié)構(gòu)示意圖
圖4是信號探測器部分的結(jié)構(gòu)示意圖
圖5是實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)程序界面
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
高靈敏度原子磁力儀總體結(jié)構(gòu)圖如圖1，包括激光光源部分l、弱磁場探頭部分2和信號 檢測部分3，三個(gè)部分通過激光光路連接，構(gòu)成高靈敏度原子磁力儀的整體。激光光源部分l 的結(jié)構(gòu)圖如圖2，包括半導(dǎo)體激光器4、激光器控制電路5和四分之一波片6;弱磁場探頭部 分2的結(jié)構(gòu)圖如圖3，包括堿金屬原子泡7和調(diào)制線圈8;信號檢測部分3的結(jié)構(gòu)圖如圖4， 包括光電轉(zhuǎn)換器9、鎖相放大器10和數(shù)據(jù)采集、處理設(shè)備11;圖5是實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)程 序界面。
實(shí)施例中堿金屬原子采用銣-87原子，銣原子氣體泡7尺寸為040X50mm，將其周圍均 勻加熱且恒溫至73.2°C,并置于待測磁場中。在使用過程中，先開啟激光器控制電路5，調(diào) 節(jié)激光二極管的電流為77.78mA，溫度為21.03°C，使半導(dǎo)體激光器4的波長穩(wěn)定至794.8nm， 光束直徑為0^5mm，輸出功率衰減至0.35mW;將適用波長為794.8nm的四分之一波片6垂 直置于激光光束方向，調(diào)節(jié)波片6的相對角度至76。，使得透射光為圓偏振激光；在調(diào)制線圈 8上加入頻率157.4Hz、峰一峰值為10.0mA的正弦交變電流；調(diào)節(jié)光路，使圓偏振激光縱向 通過銣原子氣體泡7，并使用高靈敏度硅光電二極管9對透射光強(qiáng)進(jìn)行探測，將光電二極管 的信號輸入鎖相放大器10進(jìn)行自相關(guān)檢測，并將鎖相放大器的輸出信號輸入計(jì)算機(jī)11進(jìn)行 采集、處理和最終輸出。輸出結(jié)果如圖5所示。
權(quán)利要求
1. 一種高靈敏度原子磁力儀，其特征是由激光光源(1)、弱磁場探頭(2)和信號探測器(3)三個(gè)部分構(gòu)成，通過激光光路連接，構(gòu)成高靈敏度原子磁力儀的整體；所述的激光光源(1)，采用穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器輸出的與堿金屬原子基態(tài)躍遷頻率共振的圓偏振激光，由激光器(4)、激光器控制電路(5)和四分之一波片(6)構(gòu)成；所述的弱磁場探頭(2)，由包含堿金屬飽和蒸汽的玻璃泡(7)和調(diào)制線圈(8)構(gòu)成，包含堿金屬飽和蒸汽的玻璃泡(7)置于待測橫向磁場中；所述的信號探測器(3)，采用光電轉(zhuǎn)換器件(9)把透過氣體泡(7)的激光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時(shí)采用調(diào)制與解調(diào)的自相關(guān)檢測技術(shù)對電信號進(jìn)行處理，然后使用計(jì)算機(jī)對電信號自動采集、再處理和輸出；由光電轉(zhuǎn)換器件(9)、鎖相放大器(10)和數(shù)據(jù)采集、處理設(shè)備(11)構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的原子磁力儀，其特征是激光器(4)的波長與某種堿金屬的共 振頻率相對應(yīng)，四分之一波片(6)用于產(chǎn)生圓偏振光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的原子磁力儀，其特征是堿金屬采用銣-87原子，銣原子氣體泡(7)尺寸為CD40X50mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的原子磁力儀，其特征是光電轉(zhuǎn)換器件(9)為高靈敏度光電二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的原子磁力儀，其特征是所述的原子磁力儀測量方法是將包 含堿金屬飽和蒸汽的玻璃泡(7)及其周圍均勻加熱且保持恒溫，置于待測磁場中；先開 啟激光器控制電路(5)，調(diào)節(jié)激光二極管的電流、溫度，使外腔式半導(dǎo)體激光器(4)的波長穩(wěn)定，將適用波長的四分之一波片(6)垂直置于激光光束方向，調(diào)節(jié)波片(6)的 相對角度使得透射光為圓偏振激光；在調(diào)制線圈(8)上加入正弦交變電流，調(diào)節(jié)光路， 使圓偏振激光縱向通過原子氣體泡(7);并使用高靈敏度硅光電二極管(9)對透射光強(qiáng) 進(jìn)行探測，將光電二極管的信號輸入鎖相放大器(10)進(jìn)行自相關(guān)檢測，并將鎖相放大 器的輸出信號輸入計(jì)算機(jī)(11)進(jìn)行采集、處理和最終輸出。
全文摘要
一種能夠測量極其微弱磁場的高靈敏度原子磁力儀，由激光光源、弱磁場探頭和信號探測器三部分構(gòu)成，由激光光路連接，構(gòu)成高靈敏度原子磁力儀的整體。通過測量激光、原子氣體與弱磁場的共同相互作用所引起的透射激光強(qiáng)度的改變來精確測定微弱磁場，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、界面友好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01R33/02GK101441253SQ200810163009
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者徐云飛, 李曙光, 強(qiáng) 林, 王兆英 申請人:浙江大學(xué)