本發(fā)明涉及一種磁場檢測裝置及方法，特別是一種用于生物醫(yī)學、地質調查、資源勘查、地震預測、工業(yè)領域、導航定位、材料分析、海洋工程、量子傳感、腦磁心磁等領域中的高靈敏度磁場檢測。
背景技術：
測量磁場的儀器稱之為磁力儀、磁力計、高斯計，在國際單位制中描述磁場的物理量是磁感應強度，單位是特斯拉，地球科學上常用納特（nT）來作為測量單位，工程上常用單位則是高斯。磁場檢測廣泛應用于生物醫(yī)學、地質調查、資源勘查、地震預測、工業(yè)領域、導航定位、材料分析、海洋工程、量子傳感、腦磁心磁等領域，隨著檢測要求的提高，對磁力檢測性能需求也越發(fā)緊迫。例如在腦磁圖(Magnetoencephalography，簡稱MEG)檢測領域，腦磁圖檢測裝置是一種對人體完全無創(chuàng)性、無放射性的腦功能圖像探測技術，在腦科學、生命醫(yī)療、生物技術、健康檢測、疾病診療、人機交互、智能控制、行為組織等領域中發(fā)揮非常重要的作用，磁場檢測得到的腦磁圖可以應用到癲癇診斷和致癇灶的手術前定位、神經外科手術前大腦功能區(qū)定位、缺血性腦血管病預測和診斷、精神病和心理障礙疾病的診斷、外傷后大腦功能的評估和鑒定、司法鑒定和測謊應用、語言、視覺、聽覺、體感誘發(fā)等的研究，高性能磁場檢測方法具有重要的研究意義和廣泛應用價值。
在先技術中，存在磁場檢測方法，包括已經商品化的總部在瑞典的跨國公司Elekta公司的生產Elekta Neuromag TRIUX型號腦磁圖儀；總部在美國的Tristan公司生產的MagView型號腦磁圖儀。在先技術參見美國專利，專利名稱為high-reslution magenetoencephalography system, components and methods,專利號為US7197352B2，專利授權時間為2007年3月27日。在先技術具有相當?shù)膬?yōu)點，但是存在一些本質不足：1）檢測磁場裝置所基于的原理為超導量子干涉器件檢測磁場，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應兩種物理現(xiàn)象為檢測原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結構復雜；2）檢測裝置檢測靈敏度受限于檢測原理和系統(tǒng)構建復雜度，針對腦磁圖檢測的靈活性差；3）裝置體積大，無法實現(xiàn)小型化，構建成本高，檢測磁場空間分辨率有限，影響使用范圍。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對上述技術的不足，提供一種高空間分辨率磁場檢測裝置及方法，該裝置及方法具有方法簡單、無需低溫制冷系統(tǒng)、結構簡單、便于實現(xiàn)、靈敏度高、檢測信息量大、動態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實現(xiàn)微型化、功能易于擴充、應用范圍廣等特點。
本發(fā)明的技術方案是：一種高空間分辨率磁場檢測裝置，包括原子氣體室、偏振非均勻分布矢量光束光源、光束偏轉掃描器、探測光源、光電探測器、處理分析單元，所述原子氣體室的底層和頂層設置反射膜，頂層上方設有光電探測器，光電探測器連接處理分析單元，所述原子氣體室一側外設有偏振非均勻分布矢量光束光源、光束偏轉掃描器，探測光源。
所述原子氣體室采用長方體透明結構，在原子氣體室的底層和頂層設置的反射膜對偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束反射率為97%；原子氣體室內測的底層設置的反射膜對探測光源出射探測光束的反射率為97%，原子氣體室內測的頂層設置的反射膜對探測光源出射探測光束的反射率值為80%-95%之間；在原子氣體室內測的側壁設置有增透膜。
所述偏振非均勻分布矢量光源出射光路上設置有光束偏轉掃描器，光束偏轉掃描器為光譜分光鏡振鏡，對偏振非均勻分布矢量光源出射光束的反射率為99%，對探測光源出射探測光束的透射率為99%。
所述的偏振非均勻分布矢量光源為徑向偏振圓偏振復合激光光源或方位角偏振圓偏振復合激光光源。所述的光電探測器為二維光電探測器，二維光電探測器為電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體電傳感器。所述的原子氣體室為堿金屬原子氣體室。
一種采用高空間分辨率磁場檢測裝置的檢測方法，其步驟為：1）偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束經過光束偏轉掃描器(3)光束傳播方向發(fā)生改變，從原子氣體室側面入射實現(xiàn)多次反射動態(tài)原子蒸氣泵浦；2）探測光源出射探測光束從原子氣體室側面入射，在原子氣體室的底層和頂層發(fā)生多次反射，有部分探測光透射出頂層發(fā)生透射形成探測光束陣列；3）原子氣體室的頂層透射的探測光束陣列經過偏振分光鏡陣列的分光后，被光電探測器接收，光電探測器將陣列信號傳給信息處理分析單元進行分析；4）光束偏轉掃描器實現(xiàn)偏振非均勻分布矢量光束泵浦路線掃描，重復步驟3），信息處理分析單元對數(shù)據分析空間差異性的光電分布信息，實現(xiàn)高空間分辨率磁場檢測。
所述步驟2)的具體方法為：探測光源出射探測光束從原子氣體室側面入射，在入射在原子氣體室側面之前，光路經過光束偏轉掃描器的光譜分光鏡振鏡的光譜分光鏡光學作用面上；在光譜分光鏡光學作用面上，偏振非均勻分布矢量光束和探測光束的入射點重疊；探測光束在原子氣體室的底層和頂層發(fā)生多次反射，每次經過原子氣體室的頂層反射時，有部分探測光發(fā)生透射。
所述步驟3)的具體方法為：原子氣體室的頂層透射的探測光束陣列經過偏振分光鏡陣列的分光后，偏振分光鏡陣列為等間距設立偏振分光鏡，間距與室探測光束在原子氣體頂層發(fā)生透射的透射點間距一致，每個透射點透射光束被相對應的一片偏振分光鏡分光，在偏振分光鏡陣列的每個偏振分光鏡兩側形成光束；偏振分光后的所有光束被光電探測器接收，光電探測器將陣列信號傳給信息處理分析單元進行分析。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
1）在先技術檢測磁場裝置所基于的原理為超導量子干涉器件檢測磁場，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應兩種物理現(xiàn)象為檢測原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結構復雜。本發(fā)明基于原子磁力檢測原理，構建原子氣體室，利用光與原子蒸汽相互作用，實現(xiàn)磁場檢測，不存在超導器件，具有方法簡單和無需低溫制冷系統(tǒng)的特點；
2）在先技術檢測裝置檢測靈敏度受限于檢測原理和系統(tǒng)構建復雜度，針對腦磁圖檢測的靈活性差。本發(fā)明結合偏振非均勻分布矢量光束泵浦和腔內多次回返技術，以及泵浦掃描方法，在原子氣體室的底層和頂層設置有反射膜；偏振非均勻分布矢量光束光源出射的偏振非均勻分布矢量光束經過光束偏轉掃描器光束傳播方向發(fā)生改變，從原子氣體室側面入射實現(xiàn)多次反射動態(tài)原子蒸氣泵浦；探測光束陣列經過偏振分光鏡陣列的分光后，光電探測器將陣列信號傳給信息處理分析單元，本發(fā)明具有結構簡單、便于實現(xiàn)、靈敏度高、檢測信息量大、動態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好等特點；功能易于擴充、應用范圍廣等特點
3）在先技術裝置體積大，無法實現(xiàn)小型化，構建成本高，檢測磁場空間分辨率有限，影響使用范圍。本發(fā)明采用采用全光原子磁力檢測激勵，并且利用光學元件實現(xiàn)光束調控，可以充分利用微納光學與光電加工工藝，本發(fā)明可以實現(xiàn)微型化，并且構建成本低、模塊化程度高、靈活性強、功能易于擴充等特點。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的高空間分辨率磁場檢測裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，一種高空間分辨率磁場檢測裝置，包括原子氣體室1、偏振非均勻分布矢量光束光源2、光束偏轉掃描器3、探測光源4、光電探測器6、處理分析單元7。原子氣體室1的底層102和頂層101設置反射膜，頂層101上方設有光電探測器6，光電探測器6連接處理分析單元7，原子氣體室1一側外設有偏振非均勻分布矢量光束光源2、光束偏轉掃描器3，探測光源4。
偏振非均勻分布矢量光源2為徑向偏振圓偏振復合激光光源或方位角偏振圓偏振復合激光光源。光電探測器6為二維光電探測器，二維光電探測器為電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體電傳感器。原子氣體室1為堿金屬原子氣體室。
本發(fā)明的高空間分辨率磁場檢測方法，是基于原子磁力檢測原理，構建具有多次反射行為的原子氣體室，發(fā)揮偏振非均勻分布矢量光束的偏振態(tài)空間非均勻特性，采用偏振非均勻分布矢量光束進行動態(tài)原子蒸汽泵浦進一步拓展信息維度，增加空間相關的信息量，利用光電探測器得到精細空間分布信息，通過分析處理實現(xiàn)高空間分辨率磁場檢測方法。
本實施例的具體實現(xiàn)步驟為：
步驟1)原子氣體室1采用長方體透明結構，在原子氣體室1內測的底層102和頂層101設置有反射膜，底層102和頂層103設置的反射膜對偏振非均勻分布矢量光束光源2出射的偏振非均勻分布矢量光束具有高反射率，反射率為97%；原子氣體室1內測的底層102設置的反射膜對探測光源出射探測光束具有高反射率，反射率為97%，原子氣體室1內測的頂層101設置的反射膜對探測光源出射探測光束的反射率值為89%；在原子氣體室1內測的側壁設置有增透膜，增透膜針對偏振非均勻分布矢量光束光源2和探測光源4兩光源出射光均起作用；原子氣體室1采用堿金屬中的銣原子蒸汽；
步驟2 )采用偏振非均勻分布矢量光束作為泵浦光，偏振非均勻分布矢量光源2出射光路上設置有光束偏轉掃描器3，光束偏轉掃描器3為光譜分光鏡振鏡，對偏振非均勻分布矢量光源2出射光束高反射，反射率為99%，對探測光源出射探測光束高透過率，透射率為99%；偏振非均勻分布矢量光束經過光束偏轉掃描器3光束傳播方向發(fā)生改變，實現(xiàn)方向掃描，光束偏轉掃描器3出射光束從原子氣體室1側面入射，在原子氣體室1的底層102和頂層101發(fā)生多次反射，對原子氣體室內1的原子蒸氣進行泵浦；偏振非均勻分布矢量光源2采用徑向偏振圓偏振復合激光光源；
步驟3 )探測光源4出射探測光束從原子氣體室1側面入射，在入射在原子氣體室1側面之前，光路經過光束偏轉掃描器2的光譜分光鏡振鏡的光譜分光鏡光學作用面上；在光譜分光鏡光學作用面上，偏振非均勻分布矢量光束和探測光束的入射點重疊；探測光束在原子氣體室1的底層102和頂層101發(fā)生多次反射，每次經過原子氣體室1的頂層101反射時，有部分探測光發(fā)生透射；
步驟4 )原子氣體室1的頂層101透射的探測光束陣列經過偏振分光鏡陣列5的分光后，偏振分光鏡陣列5為等間距設立偏振分光鏡，間距與室探測光束在原子氣體頂層發(fā)生透射的透射點間距一致，每個透射點透射光束被相對應的一片偏振分光鏡分光，在偏振分光鏡陣列5的每個偏振分光鏡兩側形成光束；偏振分光后的所有光束被光電探測器6接收，光電探測器6將陣列信號傳給信息處理分析單元7進行分析；信息處理分析單元7采用計算機，光電探測器6采用電荷耦合器件。
步驟5)通過光束偏轉掃描器實現(xiàn)偏振非均勻分布矢量光束泵浦路線掃描，重復進行步驟4),光電探測器可以探測到空間差異性的光電分布信息，信息處理分析單元對數(shù)據分析，實現(xiàn)高空間分辨率磁場檢測。
本實施例對應用在腦磁場檢測中，采用Rd堿金屬原子蒸汽，根據不同算法實現(xiàn)了高空間分辨率腦磁圖，在本實施例中一次檢測中，得到了0.2mm空間分辨率，靈敏度達到5fT的腦磁圖，達到了腦磁場安全檢測要求，具有方法簡單、無需低溫制冷系統(tǒng)、結構簡單、便于實現(xiàn)、靈敏度高、檢測信息量大、動態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實現(xiàn)微型化、功能易于擴充、應用范圍廣等特點。
以上所述的具體實施方式對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
本發(fā)明中原子氣體室制備、探測光束控制與光場分析、光電探測器使用、多維信息分析處理等均為成熟技術，本發(fā)明的發(fā)明點在于基于原子磁力檢測原理，構建具有多次反射行為的原子氣體室，發(fā)揮偏振非均勻分布矢量光束的偏振態(tài)空間非均勻特性，采用偏振非均勻分布矢量光束進行動態(tài)原子蒸汽泵浦進一步拓展信息維度，增加空間相關的信息量，利用光電探測器得到精細空間分布信息，通過分析處理實現(xiàn)高空間分辨率磁場檢測，給出一種方法簡單、無需低溫制冷系統(tǒng)、結構簡單、便于實現(xiàn)、靈敏度高、檢測信息量大、動態(tài)泵浦、空間分辨率高、靈活性好、可實現(xiàn)微型化、功能易于擴充、應用范圍廣的磁場檢測方法，本質上避免在先技術的不足。