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一种多通道光 泵 原子磁力传感装置

阅读：260发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种多通道光泵原子磁力传感装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种多通道光泵原子磁力传感装置，包括至少一个分光保偏传输系统；多路探测光，探测光包括经一分光保偏传输系统分光而得的偏振光；与分光保偏传输系统相连接并接收探测光的原子磁力传感模块，分光保偏传输系统，包括退偏模块、分光模块以及起偏模块，退偏模块和分光模块相连接并设置在起偏模块之前。其优点在于，通过将激光进行先分光后退偏再起偏处理或者先退偏后分光再起偏处理，将激光分为所需的多路激光；利用探测光的泵浦探测功能，对原子进行极化，使得原子产生一个较大的宏观磁矩，满足了多路探测光共用一个原子气室进行多点信息测量的条件，提高了信息测量的效率。，下面是一种多通道光泵原子磁力传感装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，包括
至少一个分光保偏传输系统；
多路探测光，所述探测光包括经一所述分光保偏传输系统分光而得的偏振光；
与所述分光保偏传输系统相连接并接收所述探测光的原子磁力传感模块；
所述原子磁力传感模块包括原子气室，以及与所述探测光数量相对应的光电感应器，其中每个所述原子气室被至少一路所述探测光穿过，穿过同一所述原子气室的所述探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，所述光电感应器设置在所述探测光射出所述原子气室的一侧，用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号，所述光电感应器上连接有信号检测单元；
所述分光保偏传输系统，包括用于将激光变为完全非偏振光的退偏模块、分光模块以及用于将变成完全非偏振光的激光转化成偏振光的起偏模块，所述退偏模块和所述分光模块相连接并设置在所述起偏模块之前。
2.如权利要求1所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述分光模块包括光纤分路器，所述光纤分路器之前连接有光纤耦合器，之后设有光纤准直器，所述光纤准直器设置在所述起偏模块之前。
3.如权利要求2所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述退偏模块为退偏器，设置在所述光纤分路器之前或所述光纤准直器之后。
4.如权利要求2所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述退偏模块为具有一定长度的大芯径多模光纤，与所述光纤分路器相连接，设置在光纤分路器和光纤准直器之间。
5.如权利要求2或3或4所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述分光模块包括多级所述光纤分路器，所述光纤耦合器与第一级光纤分路器相连接。
6.如权利要求5所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述分光模块包括光学分光装置，所述光纤耦合器设置在所述光学分光装置和多级所述光纤分路器之间。
7.如权利要求1-4任一条所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，若干所述原子气室呈矩阵排列，每个所述原子气室至少被一路所述探测光穿过。
8.如权利要求1-4任一条所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述探测光垂直于所述原子气室的表面。
9.如权利要求1-4任一条所述的多通道光泵原子磁力传感装置，其特征在于，所述原子气室为方形或球形或圆柱形。

说明书全文

一种多通道光泵 原子磁力传感装置

技术领域

[0001] 本发明涉及原子磁力仪领域，尤其涉及一种多通道光泵原子磁力传感装置。

背景技术

[0002] 磁场信息存在于很多场合，利用磁场信息可以获得许多未知信息，在地磁探测，生物磁场检测等方面有很多应用。经典的磁场测量仪器有磁通门，高斯计等装置。随着量子测
量技术的成熟发展，出现了基于量子效应的原子磁力仪，主要有光泵磁力仪，质子磁力仪，
无自旋交换驰豫磁力仪，以及泵浦脉冲式磁力仪。原子磁力仪具有更高的灵敏度以及准确
度，是当前磁场测量仪器的主流发展方向。

[0003] 但是，现有的原子磁力仪多为单通道技术方案，即单个原子气室中只通过一路探测光，探测光与原子相互作用产生信号，然后经过相应的光电感应器来接收磁场信息。单通
道技术方案只能测量原子气室中单点的信息，造成信息的测量效率较低。

[0004] 实现多通道光泵原子磁力传感装置的主要难点在于：1、现有针对单个原子气室的多通道技术存在缺陷，相邻不同探测光的间隔距离要大于原子的扩散长度才能保证不同的
探测光作用的是不同的原子，探测的是不同的信号；2.多通道光泵原子磁力传感装置必然
需设置多束作为探测光的激光，而发射所需激光的激光器价格昂贵，如设置多台激光器，会
大大提高整个传感装置的成本，不利于商业推广。而现有的分光方法，如采用分光镜或光学
分束器，缺点是需搭建比较复杂的分路系统，且需要精确调整每个镜片，这样系统容易受振
动影响，导致光路偏移，还有的分光方法为采用光纤分路器进行分光，但由于激光是一种偏
振较好的相干光源，经光纤分路器分路后的激光偏振较差，原子磁力传感装置要求探测光
均为偏振光，且光功率基本一致，因此，仅通过光纤分路器实现分路的多束激光无法满足原
子磁力传感装置的工作要求。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多通道光泵原子磁力传感装置，实现光路保偏分光和原子气室中的光路通道的密度问题，排除了不同通道之间的互
相干扰，实现了泵浦光的光路共用，提高了信息的测量效率，减少激光器的数量，大大降低
成本。

[0006] 本发明的目的采用如下技术方案实现：

[0007] 一种多通道光泵原子磁力传感装置，包括

[0008] 至少一个分光保偏传输系统；

[0009] 多路探测光，所述探测光包括经一分光保偏传输系统分光而得的偏振光；

[0010] 与分光保偏传输系统相连接并接收所述探测光的原子磁力传感模块；

[0011] 所述原子磁力传感模块包括原子气室，以及与所述探测光数量相对应的光电感应器，其中每个所述原子气室被至少一路所述探测光穿过，穿过同一所述原子气室的所述探
测光的间距大于原子在一定温度一定缓冲气体气压下的扩散长度，所述光电感应器设置在
所述探测光射出所述原子气室的一侧，用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号，
所述光电感应器上连接有信号检测单元；

[0012] 所述分光保偏传输系统，包括用于将激光变为完全非偏振光的退偏模块、分光模块以及用于将变成完全非偏振光的激光转化成偏振光的起偏模块，所述退偏模块和所述分
光模块相连接并设置在所述起偏模块之前。

[0013] 进一步地，所述分光模块包括光纤分路器，所述光纤分路器之前连接有光纤耦合器，之后设有光纤准直器，所述光纤准直器设置在所述起偏模块之前。

[0014] 进一步地，所述退偏模块为退偏器，设置在所述光纤分路器之前或所述光纤准直器之后。

[0015] 进一步地，所述退偏模块为具有一定长度的大芯径多模光纤，与所述光纤分路器相连接，设置在光纤分路器和光纤准直器之间。

[0016] 进一步地，所述分光模块包括多级所述光纤分路器，所述光纤耦合器与第一级光纤分路器相连接。

[0017] 进一步地，所述分光模块包括光学分光装置，所述光纤耦合器设置在所述光学分光装置和多级所述光纤分路器之间。

[0018] 进一步地，若干所述原子气室呈矩阵排列，每个所述原子气室至少被一路所述探测光穿过。

[0019] 进一步地，所述探测光垂直于所述原子气室的表面。

[0020] 进一步地，所述原子气室为方形或球形或圆柱形。

[0021] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：

[0022] (1)通过将激光进行先分光后退偏再起偏处理或者先退偏后分光再起偏处理，将激光分为所需数量的多路激光，每路激光的功率大致相等，且均为偏振光，该偏振光作为探
测光。

[0023] (2)原子气室中的一个通道指的是一路探测光穿过原子气室，探测光与原子相互作用产生信号，并经过相应的光电感应器接收信号，一路探测光对应一个光电感应器，光电
感应器用于接收探测光与原子相互作用产生的信号，从而使得系统能够获得检测到的磁场
信息，设置至少一路探测光穿过一原子气室，形成至少一个通道，且穿过同一所述原子气室
的所述探测光的间距大于原子在一定温度一定缓冲气体气压下的扩散长度，避免相邻的通
道之间容易出现互相干扰的现象。
附图说明

[0024] 图1为本发明实施例的整体框架结构图；

[0025] 图2为本发明的分光保偏传输系统的一个实施例的框架结构示意图，其显示了采用退偏器的先退偏后分光再起偏的框架结构；

[0026] 图3为本发明的分光保偏传输系统的另一个实施例的框架结构示意图，其显示了采用退偏器的先分光后退偏再起偏的框架结构；

[0027] 图4为本发明的分光保偏传输系统的另一个实施例的框架结构示意图，其显示了采用大芯径多模光纤的先分光后退偏再起偏的框架结构；

[0028] 图5为本发明的分光保偏传输系统一实施例的分光模块的结构示意图；

[0029] 图6为本发明的分光保偏传输系统的另一实施例的分光模块的结构示意图；

[0030] 图7为本发明的光学分光装置的结构示意图；

[0031] 图8为本发明的光泵原子磁力传感模块的原理结构示意图；

[0032] 图9为本发明的原子气室的一个优选实施例的配置示意图，其显示了单个原子气室被多路探测光射入；

[0033] 图10为根据本发明的原子气室的另一优选实施例的另一配置示意图，其显示了多个原子气室的排列方式；

[0034] 图11为根据本发明的原子气室的另一优选实施例的另一配置示意图，其显示了圆形原子气室的排列方式；

[0035] 图中：

[0036] 10、激光；11、激光器；12、光纤；13、完全非偏振光；14、光纤耦合器；15、光纤准直器；

[0037] 20、分光保偏传输系统；21、退偏模块；211、退偏器；212、大芯径多模光纤；22、分光模块；221、光纤分路器；222、光学分光装置；23、起偏模块；

[0038] 30、光谱稳频模块；

[0039] 40、探测光；41、圆偏振片；

[0040] 50、原子磁力传感模块；51、原子气室；52、光电感应器；53、温控装置；54、磁力信号；55、射频线圈；56、信号检测单元。

具体实施方式

[0041] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施
例。

[0042] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定
的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背
离本发明的精神和范围的其他技术方案。

[0043] 本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是
指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述
术语不能理解为对本发明的限制。

[0044] 可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

[0045] 在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

[0046] 参见附图1至图11，根据本发明的实施例的多通道光泵原子磁力传感装置将在接下来的描述中被阐明，其中分光保偏传输系统20解决了现有多通道检测技术中需使用多个
激光器的问题，大大降低了成本，使每一路激光均符合原子磁力传感设备的检测要求，而原
子磁力传感模块50解决了光路通道的密度问题，排除了同一原子气室51内不同通道之间的
互相干扰，提高了信息的测量效率。

[0047] 由现有技术可知，光和原子的作用过程为：首先，在量子力学里面，激光或者电磁波和原子能级之间的频率间隔只有一致才能够被原子吸收，称为共振吸收。

[0048] 其次，处在磁场中的原子会产生能级分裂，能级分裂的间距和磁场大小有关，称为塞曼效应。原子在磁场中的表现为原子的磁矩绕着磁场做旋进，旋进的频率为拉莫尔进动
频率，这个频率和上面能级分裂的频率是一致的。

[0049] 激光的泵浦过程：基态的原子原来是平均分布在各个子能级上，采用与原子能级共振的右旋圆偏振光与原子作用，原子会吸收激光的能量被抽运到激发态，在激发态的原
子不稳定，会随机掉落在基态子能级上，由于掉落在基态上的概率不同，一侧的磁子能级上
多一些。

[0050] 经过一定时间之后原子会被抽运到一侧的磁子能级，激光与原子没有相互作用，宏观的表现是激光的功率没有变化，这个时候原子已经达到饱和的状态，这个过程叫做偏
振极化。原子达到饱和状态之后，这个时候有一个射频场的作用，射频场的频率和能级之间
分裂的频率如果是对应的话，也是一种共振吸收的作用，原子会吸收射频场的能量回到各
个磁子能级上去，相当于原来被偏振极化的原子被重新打乱，原子又可以和激光发生作用，
激光的功率就会因为原子的吸收而减少。

[0051] 当射频磁场频率和拉莫尔进动频率严格一致的时候，激光的光强由于原子强烈吸收而产生显著的变化，找到这个最强的激光光强吸收点就可以确定当前的拉莫尔进动频
率，根据它可以计算得到当前的磁场值。

[0052] 光泵原子磁力传感装置里面射频信号是始终存在，而且是一种间接测量，光电探测器接收到的是一种强度信息，这种强度信息和射频信号相关，当射频信号的频率和原子
拉莫尔进动频率一致的时候，光强信号最大，读取此时的射频信号频率可以推导当前的磁
场值，所以一般光泵原子磁力传感装置需要做闭环，将光强信息和射频信号关联起来，无法
直接探测。下面，本实施例采用较为简单的MX光泵原子磁力传感装置来描述技术方案，一方
面MX光泵原子磁力传感装置有着较高的灵敏度和频率响应，另一方面MX光泵原子磁力传感
装置的技术方案较为简单，容易实现，但本实施例的实现结构和方法不受MX光泵原子磁力
传感装置限制，还可以为MZ光泵原子磁力传感装置或全光型BB光泵原子磁力传感装置。

[0053] 如图1所示，其显示了根据本发明的实施例的多通道光泵原子磁力传感器，其包括

[0054] 至少一个分光保偏传输系统20；

[0055] 多路探测光40，所述探测光40包括经一分光保偏传输系统20分光而得的偏振光；

[0056] 与分光保偏传输系统20相连接并接收所述探测光40的原子磁力传感模块50；

[0057] 所述原子磁力传感模块50包括至少一列依次排布的原子气室51，以及与探测光40数量相对应的光电感应器52，其中每个所述原子气室51被至少一路所述探测光40穿过，所
述光电感应器52设置在所述探测光40射出所述原子气室51的一侧，用于接收所述偏振光与
原子相互作用产生的信号，所述光电感应器上连接有信号检测单元56；

[0058] 所述分光保偏传输系统20，包括用于将激光10变为完全非偏振光13的退偏模块21、分光模块22以及用于将变成完全非偏振光13的激光转化成偏振光的起偏模块23，所述
退偏模块21和所述分光模块22相连接并设置在所述起偏模块23之前。

[0059] 原子磁力传感模块50中一个原子气室51至少需要一路激光，即，一路为探测光40，光泵原子磁力传感装置中的探测光40既有泵浦功能又有检测功能，泵浦作用一定是和原子
频率共振的，而且最终检测的是激光的光强，因此，激光器11通过光谱稳频模块30进行锁
频，防止频率波动带来的噪音。本实施例的装置至少需要一个激光器11以及一个分光保偏
传输系统20，如图1所示，为一个激光器11和一个分光保偏传输系统20，探测光40经分光保
偏传输系统20分为若干路，穿过原子气室51。需要注意的是，在激光器的数量在本实施例中
不受限制，可选地，本优选实施例的激光器的数量也可以为2、3、4、5、6、7、8个等，本实施例中采用半导体激光器作为激光源。

[0060] 本装置的实施例通过将激光进行先分光后退偏再起偏处理或者先退偏后分光再起偏处理，将激光分为所需数量的多路激光，每路激光的功率大致相等，且均为偏振光，该
偏振光可作为探测光40，每个探测光40对应一个光电感应器52，多路探测光40可实现不同
位置的原子状态信息的检测，提高检测效率；同时，利用探测光40的泵浦功能对原子气室51
的原子进行极化，使得原子产生一个较大的宏观磁矩。经过探测光40的泵浦功能的极化作
用之后，原子产生宏观磁矩，满足了多路探测光40共用一个原子气室51进行多点信息测量
的条件，提高了信息测量的效率；另外，原子气室51中的一个通道指的是一路探测光40穿过
原子气室51，探测光40与原子相互作用产生信号，并经过相应的光电感应器52接收信号，一
路探测光40对应一个光电感应器52，光电感应器52用于接收探测光40与原子相互作用产生
的信号，从而使得系统能够获得检测到的磁场信息。

[0061] 探测光40为由一分光保偏传输系统20进行分光的偏振光，每个原子气室51被至少一路探测光40穿过。如图8所示，原子磁力传感模块50的核心是一个密封的原子气室51，原
子气室51内可以设置氦气，或者碱金属原子(如钾，铷，铯)原子蒸汽，激光的选择必须和原
子一致，以产生共振跃迁。原子气室51需要一个温控装置53以保持一个恒定的较高的温度，
以使碱金属饱和蒸汽保持稳定的、较高的浓度；另外需要一个静态磁场和交变磁场，他们都
可以通过亥姆霍兹线圈产生，原子气室51外设有射频线圈55，当射频线圈55上所加的射频
频率等于磁场对应的拉莫尔进动频率时，此时会发生光磁共振现象，光电探测器探测的光
 电信号最强，再经过后续的放大、采样、信号处理等手段，通常可以扫描射频场频率获得当
前磁场值，可以以利用负反馈系统锁定在频率共振点，然后读取射频源的频率信息即可。

[0062] 探测光40经圆偏振片41形成一束平行的圆偏振光，而后进入原子气室51，激光和原子的频率一致，产生共振吸收，产生的信号由光电感应器52接收，光电感应器52设置在探
测光40射出所述原子气室51的一侧，经过放大模块，再通过数字电路系统对信号进行处理，
并且反馈到射频线圈55中锁定当前的磁场值，跟踪当前磁场变化。

[0063] 现针对本发明的各组成部分进行详细说明，温控装置53、静态磁场和交变磁场为现有技术，因此不进行详细描述。

[0064] 激光为偏振光，对于如何实现偏振光分路并保偏传输，本实施例采用将激光先退偏后起偏的方式，更具体地说，是将激光进行先分光后退偏再起偏处理或者先退偏后分光
再起偏处理，将激光先变成完全非偏振光13，而后利用起偏模块23将完全非偏振光13变为
线偏振光，减小功率损耗，供后续系统使用，在将激光变为完全非偏振光13之前或之后，将
其分为所需数量的多路光，再在使用前将其变为偏振光，使在使用的每路激光的功率大致
相等，且均为偏振光。不论是先进行分光还是先进行退偏，在传输结束前，将激光变为完全
非偏振光13并进行起偏，变为偏振光即可。

[0065] 为了减小整个分光保偏传输系统20的体积，本实施例中的分光模块22包括光纤分路器221，相对于传统的分光镜或光学分束器，其分光系统较为简单，同时，基于光纤分路器
221，显而易见的，本实施例中从光纤分路器221到光纤准直器15之间采用光纤12连接，有利
于降低设备体积和系统复杂度。光纤的种类大致包括单模光纤和多模光纤，单模光纤又包
括保偏单模光纤和非保偏单模光纤，而在一些对于激光偏振特性有要求的系统，会采用保
偏单模光纤，该种光纤的稳定性比较好，在激光传输过程中可以较好地保持激光的偏振特
性，但缺点在于，该种光纤的通光效率较弱，容易造成激光能量损耗，且使用难度较高，价格
昂贵；也有一些系统采用多模光纤，通光效率高，使用比较简单，但稳定性不如保偏单模光
纤，容易扰乱激光的偏振。而为了使激光进入光纤分路器221，光纤分路器221之前连接有光
纤耦合器14，在探测光40或泵浦光进入原子磁力传感模块50之前，需转化为空间自由光，因
此，光纤分路器221之后连接有光纤准直器15，同时，光纤准直器15设置在所述起偏模块23
之前。

[0066] 由于经过光纤分光器的激光为部分偏振光，其偏振方向不定，无法直接利用起偏模块23将其变为线偏振光，容易大大损耗激光功率，使激光无法使用。因此，本实施例的分
光保偏传输系统20通过将激光进行先分光后退偏再起偏处理或者先退偏后分光再起偏处
理，将激光先变成完全非偏振光13，而后利用起偏模块23将完全非偏振光13变为线偏振光，
减小功率损耗，供后续系统使用，在将激光变为完全非偏振光13之前或之后，将其分为所需
数量的多路光，再在使用前将其变为偏振光，使在使用的每路激光的功率大致相等，且均为
偏振光。不论是先进行分光还是先进行退偏，在传输结束前，将激光变为完全非偏振光13并
进行起偏，变为偏振光即可。本实施例中的起偏模块23可采用偏振分束器，完全非偏振光13
经偏振分束器分为水平偏振光和竖直偏振光，且两束光的功率完全相同。本发明中的激光
器是指广义上的能够发射激光的设备，整个处理过程是从激光器产生激光开始，而不是从
激光从激光发射装置中射出开始。现实中一些激光发射装置的输出接口为光纤，为光纤耦
合器14内置，在应用过程中，进行先退偏后分光再起偏处理时，需要在激光发射装置的输出
接口连接光纤准直器15，将激光导出，通过退偏模块21退偏后，在通过另一光纤耦合器14导
入到光纤分路器221中，进行分光；在进行先分光后退偏再起偏处理时，直接将激光发射装
置的输出接口与光纤分路器221相连接，进行分光，本发明中描述的光纤耦合器14即为激光
发射装置中内置的光纤耦合器14。

[0067] 如图2、图3所示，退偏模块21的一种配置结构为，退偏模块21为退偏器211，所述退偏模块21为退偏器211，设置在所述光纤分路器221之前或所述光纤准直器15之后。需要注
意的是，由于分光模块22中包含光纤分路器221，而退偏器211和起偏器均为光学元件，因
此，需要设置光纤耦合器14和光纤准直器15，激光器发出的激光也需通过光纤耦合器14进
入光纤分路器221。

[0068] 更具体地说，如图2所示，为一种进行先退偏后分光的系统结构示意图，退偏模块21为退偏器211，设置在光纤分路器221之前，激光经过退偏器211后变为完全非偏振光13，
而后通过分光模块22分为多路光，进行先退偏后分光处理。更具体地说，一种进行先退偏后
分光再起偏处理的结构的实施例中，激光器发出的激光首先经过退偏器211进行偏振扰乱，
变为完全非偏振光13，完全非偏振光13通过光纤耦合器14进入光纤分路器221，被分成多路
光，每路激光经过光纤传输到光纤准直器15，光纤准直器15与起偏模块23相连接，射出的激
光重新变为线偏振光，起偏模块23为偏振分束器，完全非偏振光13经偏振分束器分为水平
偏振光和竖直偏振光，且两束光的功率完全相同。

[0069] 而如图3所示，为一种进行先分光后退偏的系统结构示意图，退偏模块21为退偏器211，设置在光纤准直器15之后，激光通过分光模块22分为多路光后，每路光均经过退偏器
211处理变为完全非偏振光13，进行先分光后退偏处理。更具体地说，一种进行先分光后退
偏再起偏处理的结构的实施例中，激光通过光纤耦合器14进入光纤分路器221，被分为多束
激光，而后每束激光被分别传输到光纤准直器15，光纤准直器15与退偏器211相连接，将从
光纤准直器15中射出的激光变为完全非偏振光13，退偏器211后的起偏模块23再将完全非
偏振光13变为线偏振光，起偏模块23为偏振分束器，完全非偏振光13经偏振分束器分为水
平偏振光和竖直偏振光，且两束光的功率完全相同。

[0070] 由于光纤芯径越粗，光纤内部传递的模式越多，激光的耦合效率越高，但激光的偏振也会越乱，因此，采用一定长度的大芯径多模光纤212也可以将激光的偏振扰乱，在长度
足够的大芯径多模光纤212中传输的激光最终可变为完全非偏振光13，因此，退偏模块21的
另一种配置结构为，如图4所示，退偏模块21为具有一定长度的大芯径多模光纤212，与所述
光纤分路器221相连接，设置在光纤分路器221和光纤准直器15之间，激光进入光纤分路器
221之后分为多路光并分别进入对应的大芯径多模光纤212，在传输过程中变为完全非偏振
光13，进行先分光后退偏处理。

[0071] 更具体地说，如图4所示，激光通过光纤耦合器14进入光纤分路器221，被分为多束激光，而后每束激光分别进入对应的大芯径多模光纤212，在传输过程中变为完全非偏振光
13，而后经光纤准直器15输出，经由起偏模块23变为偏振光，起偏模块23为偏振分束器，完
全非偏振光13经偏振分束器分为水平偏振光和竖直偏振光，且两束光的功率完全相同。经
实验可得，大芯径多模光纤212为芯径为400微米-800微米，长度为米量级以上即可。光纤分
路器221中的多模光纤的芯径为50微米或62.5微米，从细芯径的多模光纤到粗芯径的多模
光纤的激光耦合效率很高，光纤分路器221与大芯径多模光纤212之间通过转接法兰盘进行
连接，光纤准直器15与大芯径多模光纤212相连接。

[0072] 另外，激光分光的方式也会影响到激光的光功率损失和分路均匀，本发明的分光模块22的一种配置结构为，包括多级光纤分路器221，激光或完全非偏振光13通过光纤耦合
器14进入第一级的光纤分路器221，分出的光进入下一级的若干光纤分路器221，直至获得
所需路数的光。光纤分路器221是目前通信设备领域常用的分光设备，用于把一路激光分成
n路，n通常有2/4/8/16/32/64等规格，当然也有除上述数值外的特殊数值，从光纤种类分，
常见的有单模光纤分路器221和多模光纤分路器221，单模光纤分路器221较难操作，且造成
的光功率损失较大，价格昂贵，本发明中采用的为多模光纤分路器221，降低系统成本。一个
光纤分路器221本身就可以作为分光模块22，当需要的激光束数量比较大时，单个光纤分路
器221不能满足的情况下，可以采用多级光纤分路器221，把下一级光纤分路器221的输入接
口接在上一级的光纤分路器221的输出上，从而成指数增加输出的路数。然而，光纤分路器
221级数多了，会造成光功率损失，分路不均匀等不良后果，很多激光应用系统，比如原子磁
力传感器要求每路激光的功率偏差不超过10％，因此，实际应用时，通常用一级或两级光纤
分路器221。本领域技术人员可以理解的是，光纤分路器221的数量和规格在本发明实施例
中不受限制，可根据实际应用中所需的激光束数量进行设置，例如，在图5所示的具体示例
中，以采用两级的2分路光纤分路器221分出8路光为例来阐述和揭露本发明实施例的分光
方法的内容和特征，但采用两级的2分路光纤分路器221分出8路光并不能被视为对本优选
实施例的分光方法的内容和范围的限制。可选地，在本实施例的分光方法的其他可能的示
例中，采用的光纤分路器221也可以是但不限于4/8/16/32/64等规格，也可以是除上述数值
外的特殊数值，而由于光纤分路器221本身的优化，采用级数也可以是3、4、5级等，使每路功
率偏差符合激光应用系统的要求即可。

[0073] 由于光纤分路器级数多了，会造成光功率损失，分路不均匀等不良后果，因此，优选地，如图6所示，分光模块22还包括光学分光装置222，光学分光装置222设置在多级光纤
分路器221之前，激光或完全非偏振光13经光学分光装置222进行初步分光，初步分光后的
光通过光纤耦合器14进入第一级的光纤分路器221，而后分别进入下一级的若干光纤分路
器221，直至获得所需路数的光。激光器射出的激光束，通过光学分光装置222，把激光分为n
路，光学分光装置222采用透镜、棱镜、反光镜等光学器件，把激光输入分成多束激光输出，
此时的射入和射出的激光均为空间自由光，光学分光装置222之后设置光纤耦合器14，将经
光学分光装置222分出的激光经光纤耦合器14接入后一级的光纤分路器221中，进行进一步
分光。在实际应用中，对于一些输出接口为光纤的激光发射装置，需适用光纤准直器15导出
激光，而后采用光学分光装置222进行分光，利用现有的光学分光装置222，可实现均匀分
光，光学分光装置222的结构如图7所示，但不限于图7中示出的8路分光，可根据实际的激光
束数量需求以及后续的光纤分路器221的规格和数量进行设置，可以是2、4、8等，也可以是
除上述数值外的特殊数值。采用光学分光装置222的优点在于，可以减少一级光纤分路器
221，从而使得分光更均匀、损耗较小。

[0074] 将包含光学分光装置222的分光模块22与上述的退偏模块21相结合，当退偏模块21选用退偏器211，退偏器211和光学分光装置222均为光学器件，其安装方式有两种，一种
是将退偏器211设在激光器和光学分光装置222之间，激光先经过退偏器211变为完全非偏
振光13，而后进入光学分光装置222进行初步分光，多束完全非偏振光13通过之后的光纤耦
合器14进入下一级的光纤分路器221进行进一步分光；另一种是将退偏器211设在光学分光
装置222和光纤耦合器14之间，激光通过光学分光装置222进行初步分光后，每束光均进过
退偏器211变为完全非偏振光13，而后通过光纤耦合器14进入下一级的光纤分路器221进行
进一步分光。

[0075] 如图9所示，其显示了根据本发明的一个优选实施例的单个原子气室51被多路探测光40射入构成多通道原子气室51，经分光保偏传输模块分光的探测光40传输至原子磁力
传感模块50，更具体地说，穿过其中的原子气室51。如上文所述，原子气室51中的一个通道
指的是一路探测光40穿过原子气室51，探测光40与原子相互作用产生信号，并经过相应的
光电感应器52接收磁力信号54，一路探测光40对应一个通道。

[0076] 原子气室51内部有处于气态的原子和缓冲气体，原子在空间中高速自由运动，不断与缓冲气体分子碰撞，原子团的运动被限制在一定区域内，称之为扩散长度。在一定的温
度和缓冲气体气压作用下，原子扩散长度为一个常数。射入同一原子气室51中的相邻探测
光40的间距需要大于扩散长度，才能保证不同的探测光40作用检测的是不同的原子。因此
必须保证同一原子气室51内相邻原子的间隔距离要大于扩散长度，多路探测光40才能够共
用一个原子气室51来检测多点的磁场信息，同时也节省了空间和成本。

[0077] 如图9所示，2路探测光40同时射入单个原子气室51，在探测光40射出原子气室51的一侧设置相应数量的2个光电感应器52用于接收探测光40与原子相互作用产生的信号。
通过这样的方式，实现了2路探测光40同时共用单个原子气室51进行四点的信息测量，提高
了测量效率。

[0078] 值得一提的是，穿过单个原子气室51的探测光40的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图9示出的具体示例中，以2路探测光40穿过单个原子气室51为例来阐述和揭
露本优选实施例的多通道原子气室51的实现方法的内容和特征，但穿过单个原子气室51的
探测光40的数量为2路并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室51的实现方法的内
容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室51的实现方法的其他可能的
示例中，穿过单个原子气室51的探测光40的数量也可以但不限于被实施为1、3、4、5、6、7、8
路等。

[0079] 优选地，将多个原子气室51呈矩阵排布，方便加工，同时，同一列上的每个原子气室51被多路探测光40射入，穿过同一原子气室51的探测光40间距大于原子在一定温度一定
缓冲气体气压下的扩散长度，形成多通道进行信息测量，提高信息测量的效率，精简装置的
结构，如图10所示，原子气室51排成方形矩阵，每个原子气室51至少被一路探测光40射入，
在探测光40射出原子气室51的一侧设置与探测光40数量相应的光电感应器52。原子气室51
排列的越紧密，获得的空间磁场信息就越丰富，但是实现难度会增大。

[0080] 如图10所示，将6个原子气室51依次排布呈矩阵，2个原子气室51为一列，共3列，每个原子气室51被2路探测光40穿过，在探测光40射出原子气室51的每一侧设置相应数量的2
个光电感应器52用于接收探测光40与原子相互作用产生的信号。通过这样的方式，实现了2
路探测光40同时共用单个原子气室51进行两点的信息测量，进一步实现了6个原子气室51
同时进行六点的信息测量。

[0081] 本领域技术人员可以理解的是，依次排布在同一列上的原子气室51的数量和列数在本优选实施例中不受限制，例如，在附图10示出的具体示例中，以依次排布在同一列上的
原子气室51的数量为2个为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室51阵列的实现
方法的内容和特征，但依次排布在同一列上的原子气室51的数量为2个并不能被视为对本
优选实施例的多通道原子气室51阵列的实现方法的内容和范围的限制。可选地，在本优选
实施例的多通道原子气室51阵列的实现方法的其他可能的示例中，依次排布在同一列上的
原子气室51的数量也可以但不限于被实施为3、4、5、6、7、8个等，列数也可以但不限于被实
施为2、4、5、6、7、8个等。

[0082] 本领域技术人员还可以理解的是，穿过单个原子气室51的探测光40的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图10示出的具体示例中，以2路探测光40穿过单个原子气
室51为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室51阵列的实现方法的内容和特征，
但穿过单个原子气室51的探测光40的数量为2路并不能被视为对本优选实施例的多通道原
子气室51阵列的实现方法的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气
室51阵列的实现方法的其他可能的示例中，穿过单个原子气室51的探测光40的数量也可以
但不限于被实施为1、3、4、5、6、7、8路等。

[0083] 由于原子气室51的表面存在一定的反射，为了避免探测光40被反射到系统的其他位置产生干扰，优选地，所述探测光40垂直于所述原子气室51的表面穿过所述原子气室51。

[0084] 另外，原子气室51的形状可以如图10中所示的方形，也可为如图11中所述的球形，当原子气室51为球形时，不垂直于球面的光会变形，影响检测结果，因此，每个球形原子气
室51仅被一路探测光40穿过，光电感应器52设置在探测光40射出的一侧，探测光40穿过球
形原子气室51的球形，与原子气室51的表面垂直。若干个球形的原子气室51可成矩阵排列，
如图11所示，为3个球形原子气室51并排设置，每个原子气室51被1路探测光40穿过，光电感
应器52的数量与探测光40的数量一致。值得注意的是，依次排布在同一列上的原子气室51
的数量和列数在本优选实施例中不受限制，依次排布在同一列上的原子气室51的数量也可
以但不限于被实施为2、4、5、6、7、8个等，列数也可以但不限于被实施为2、3、4、5、6、7、8个等。

[0085] 上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所
要求保护的范围。

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