一種磁顯微成像方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁顯微成像方法及裝置，屬于原子磁強計技術領域。
【背景技術】
[0002] 磁場梯度測量技術是一種測量磁場空間分布的技術，其主要技術指標為空間分辨 率和磁場靈敏度。高空間分辨率的磁場梯度測量技術又稱磁顯微技術，廣泛應用于生物顯 微、材料分析、電路分析、基礎物理等領域。常見的磁顯微技術有磁力顯微鏡技術（MFM)、超 導量子干涉技術（SQUID)、原子磁強計技術（AM)。MFM技術具有非常高的空間分辨率，但磁 場靈敏度低。SQUID技術空間分辨率和磁場靈敏度可調范圍大，但需要工作在低溫環(huán)境下以 實現(xiàn)超導，這局限了該技術的應用范圍。AM技術目前具有最高的磁場靈敏度，但是傳統(tǒng)的原 子磁強計空間分辨率不高，無法應用于微米量級的測量。
[0003] 鑒于AM技術的最高磁場靈敏度，如何基于AM技術同時實現(xiàn)微米量級的空間分辨 率已成為前沿技術研究的一個熱點。針對這一難題，目前已有的解決思路有注入高壓緩沖 氣體和減小氣室體積兩種方法，但由于無法徹底解決原子擴散問題，空間分辨率一直難以 突破百微米量級。而科學研究和生產生活中很多地方需要更精細的磁場信息，即需要分辨 率達到微米量級。目前，空間分辨率在100μπι以下的原子磁強計尚未有相關報道。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種磁顯微成像方法及裝置，在 雙光束原子磁強計的基礎上，使用雙脈沖光束抽運檢測方法提高空間分辨率，具有很高的 檢測精度和實用價值。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案：一種磁顯微成像方法，通過檢測堿金屬原子在磁場中的 進動相位實現(xiàn)三軸磁場測量，沿y軸方向外加一個磁場B y(y，z)，有兩束激光同時作用在 堿金屬原子氣室上，沿z軸方向有一束圓偏振光作為抽運光，沿X軸方向有一束線偏振光 作為檢測光。測量前先對對系統(tǒng)進行校準調整，在無抽運光作用下，打開檢測光，分別得到 圖像采集器（4)和（9)的輸出的光強分布圖像I 1^z)和I2(y，z)，調節(jié)圖像采集器（4) 和（9)位置，并使用線性變換矩陣A對I 1 (y，z)進行線性調整，使得差分圖像Λ I (y，z)= Α?Α,ζ^?Κγ,ζ)的平均值接近0。
[0006] 開始測量后，首先在有抽運光作用下，打開檢測光，由于旋光效應，差分圖像 Λ I (y，ζ)不再為0,旋光角分布為：
[0008] 然后，根據(jù)所得旋光角分布，由旋光效應原理，計算極化率矢量分布：
[0010] 其中，1為光程，L為電子經典半徑，c為光速，η為氣室內堿金屬原子濃度，fD1和 fD2分別為堿金屬原子Dl線和D2線的振蕩強度，v、v D1和V D2分別為探測光、堿金屬原子D1、 D2線的對應頻率；
[0011] 最后，根據(jù)所得的極化率矢量分布，由原子磁強計基本原理，計算得到磁場空間分 布：
[0013] 其中，心為弛豫時間，t ,為檢測光延遲，P。為抽運結束后極化率模，γ為堿金屬旋 磁比。
[0014] 所述抽運光為圓偏振脈沖光，波長為堿金屬原子Dl線躍迀頻率相應波長，脈沖結 束后，原子極化達到飽和。
[0015] 所述檢測光為線偏振脈沖光，波長為堿金屬原子D2線或Dl線躍迀頻率相應波長。
[0016] 所述抽運光與檢測光正交，且在同一平面上。
[0017] 所述檢測光與抽運光脈沖周期相同，檢測光延遲大于0且小于3毫秒。
[0018] -種磁顯微成像裝置，包括：抽運光激光器（1)、檢測光激光器（2)、堿金屬原子氣 室（3)、處理器（6)、圖像采集器（4)和（9)、偏振分光棱鏡（10)、偏振片（13)和（17)、半波 片（14)、四分之一波片（16)、磁屏蔽裝置（15)和磁場空間分布圖像輸出（8);
[0019] 抽運光激光器（1)發(fā)出的激光通過偏振片（17)和四分之一波片（16)得到的高功 率圓偏振光，在脈沖時間內充分極化了堿金屬原子氣室（3)內的堿金屬原子；抽運結束1^ 時間后，檢測光激光器（2)產生的激光通過偏振片（17)和半波片（14)后得到線偏振光。該 線偏振光進入堿金屬原子氣室（3)，入射方向與抽運光方向垂直且穿過抽運光；當 7軸方向 存在磁gBy(y, ζ)時，堿金屬原子繞磁場進動的矢量在X軸上存在投影Px(y, ζ)，這對檢測光 有旋光效應，會改變輸出光的偏振方向，使得Λ I (y，z)發(fā)生變化，還需要在一個CCD曝光周 期內接收多個檢測光脈沖，降低Λ I (y, z)的熱噪聲，通過計算得到磁場空間分布By(y, z)。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0021] (1)現(xiàn)有的SQUID技術需要工作在超低溫環(huán)境下實現(xiàn)超導。相比而言，本發(fā)明提出 的方法可以工作在室溫環(huán)境下，擁有更廣泛的應用前景；
[0022] (2)現(xiàn)有的MFM技術磁場靈敏度低。相比而言，本發(fā)明提出的方法基于原子磁強計 原理，磁場靈敏度更高，可以檢測到更微弱的磁場變化；
[0023] (3)現(xiàn)有的原子磁強計無法消除原子擴散，空間分辨率差。相比而言，本發(fā)明應用 了雙脈沖抽運檢測技術，通過縮短脈沖間隔，限制了原子的擴散時間，提升了空間分辨率。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明測量方法的原理示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明測量裝置的光路和結構示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明測量方法的時序示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 如圖2所示，本發(fā)明提出的磁顯微成像裝置包括：894. 5nm波長的抽運光激光器1 和檢測光激光器2,用于抽運和檢測，抽運激光器脈沖功率為100W，檢測激光器脈沖功率為 ImW ;堿金屬原子氣室3中充入銫蒸汽，兩個圖像采集器4和9使用CCD實現(xiàn)；處理器6為電 腦臺式機主機，通過以太網口接收C⑶傳回圖像，處理圖像的結果顯示在臺式機顯示器上； 磁屏蔽裝置15為3層坡莫合金制作，地磁環(huán)境下氣室內剩磁小于1000 nT ;抽運光激光器1 發(fā)出的抽運脈沖依次通過偏振片17、四分之一波片16和堿金屬原子氣室3 ;檢測光激光器 2發(fā)出的檢測脈沖依次通過偏振片13、半波片14和堿金屬原子氣室3,然后經由偏振分光棱 鏡10分成兩束線偏振光，由圖像采集器4和9接收。
[0028] 如圖2所示，利用本發(fā)明測量裝置實現(xiàn)磁顯微成像的具體實施步驟如下：