光泵磁力仪中垂直腔面发射激光器激光波长锁定

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的原子蒸汽气室同时作为波长锁定的工作气室,无需任何额外装置即可将激光波长锁定在该D1线跃迁波长.使用数字比例积分微分控制与模糊控制算法进行激光的温度控制,使温度波动在±0.005℃内;采用基于电流镜的激光电流驱动方案,使电流波动在±50 nA内,为激光波长锁定提供了良好的硬件基础.最后,在实验室环境下实现OPM长达2 h的稳定信号输出.

面向双气室铯光泵磁力仪的VCSEL稳频研究

在地磁场测量领域中,自激振荡式碱金属原子光泵磁力仪因为快速响应与高精度成为一项重要技术。其中自激式双气室光泵磁力仪无需考虑移相电路带来的信号误差,电路简单。使用垂直腔面发射激光器作为泵浦光源有效降低了磁力仪功耗和体积。针对使用垂直腔面发射激光器的便携式双气室铯光泵磁力仪激光稳频方法进行设计,设计方案包括激光器温度控制电路,光泵磁力仪信号反馈电路,激光器电流源调制与控制电路。将注入电流调制的稳频方法用于双气室光泵磁力仪结构,减小稳频代价的同时具有较好稳定性,温度控制精度达到0.002℃,10秒内波长稳定度达到4.36×10^(-10),初步探索了自激式双气室光泵磁力仪集成化与小型化的可能性。

结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法

为了提高光泵磁力仪频率测量的精度和速度,提出了一种结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法。首先,根据光泵磁力仪频率信号的特点,分析了该方法的测量原理和实现方法。然后,推导了频率测量的公式,分析了影响频率测量精度的因素。最后,设计频率测量实验和室外磁场测量实验对提出的方法进行验证。实验结果证明,该方法明显优于多周期同步测频法,在80~350 kHz频率段内均方差均小于2.2×10^(-3)Hz,在磁场测量实验中,采样频率为200 Hz时,噪声功率谱密度为0.001 nT√Hz@1Hz。

基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统

为解决地震地磁矢量观测中质子矢量磁力仪噪声大,长期观测中存在明显漂移,磁通门磁力仪温度效应明显,保温磁房投入大等问题,研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统,本文详细介绍了其测量原理及仪器结构,设计了混合分量线圈装置,并开展了稳定性分析。研制的样机在蒙城地震台开展了观测实验。结果表明,实验期内记录良好,采样率达到1 Hz,1月份总强度、水平分量和磁偏角月噪声分别为0.01 nT、0.02 nT和0.003′,优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪最好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其实验期内水平分量和磁偏角最大漂移分别为1.3 nT和0.16′,小于座钟式质子矢量磁力仪基线漂移,具有良好的稳定性。

光泵磁强计双轴探测听觉诱发脑磁信号的初步探索

目的光泵磁强计(optically pumped magnetometer,OPM)脑磁图(magnetoencephalography,MEG)作为新一代脑功能成像技术,在多轴探测设计下具备了对传统MEG信号“盲区”的检测能力,为脑内功能活动研究提供更全面的技术工具。本文旨在探讨双轴OPM-MEG在测量真实生理反应时的信号分布差异特征。方法采用9通道OPM-MEG对10名健康受试者的听觉相关频率跟随反应进行检测。通过每个被试1000个试次的数据采集,获取所有通道头皮切向(Y轴)和径向(Z轴)的磁响应信号。结果研究显示,双轴OPM-MEG记录到的信号在强度和分布上与传统MEG存在明显区别。双轴信号明显强于传统MEG,且传统MEG难以记录的切向信号显著强于径向信号。结论本研究证实了双轴OPM-MEG在测量真实生理信号方面的能力,并且双轴测量能够获取更丰富的信息,特别是可能存在于传统MEG测量盲区中的脑功能活动信号。这为基于传统MEG记录的神经电活动模型带来了重大更新。双轴OPM-MEG的多轴记录特性在脑科学研究和脑疾病诊断领域都具有巨大的应用潜力。这项研究初步展示了双轴OPM-MEG在听觉诱发信号研究中的价值,为后续深入研究奠定了基础。

双气室铯光泵磁力仪设计与验证

由于自激振荡式单气室光泵磁力仪受移相电路限制测量范围较窄,对双气室光泵磁力仪进行集成化研究和改进,基于对光泵磁力仪基本原理的推导论证,提出了双气室铯光泵磁力仪的一种高度集成的设计结构。该方案中以垂直腔面发射激光器作为泵浦光源,以刀锋直角棱镜反射镜作为分光镜片,其余元件沿光轴对称排布,利用左旋、右旋圆偏振光的双泵浦光结构和双气室布置实现相移互补,不需要移相电路。利用搭建的原理样机测得实验环境下地磁场强度为37586.79 nT,并利用扫描方式测得三轴分量。双气室铯光泵磁力仪原理样机的测量范围为25700~77000 nT,灵敏度约为20 pT/(Hz)1/2。实验结果和对比测量结果、理论计算结果相吻合,验证了双气室光泵磁力仪的理论分析,证实了该双气室光泵磁力仪结构的可行性和精确度。

光泵磁力计-脑磁图的应用研究进展

脑磁图作为一种无创获取大脑信号的新技术,可精准反映大脑的神经活动,但传统脑磁图设备的低温超导环境与高运维成本限制了这一技术的发展。光泵磁力计作为一种新型的磁场强度检测装置,具有造价成本低、信噪比高、无需低温液氦冷却等诸多优势,有望助推脑磁图技术广泛应用。在陈述脑磁图概念的基础上,从技术角度说明光泵磁力计-脑磁图系统的实现原理,梳理该系统存在的命名问题,并从神经语音解码、脑磁源重建、功能神经成像、脑机接口和临床辅助等方面综述了该系统的应用研究进展,总结该新型脑磁图系统独特优势,并展望这种技术的未来潜在应用,最后分析了目前此类研究中可能存在的问题。

He/Ar/Kr光泵稀有气体激光介质中的Ar-Kr共振能量转移

高亚稳态原子数密度是光抽运稀有气体激光器的研究重点之一.考虑到Ar亚稳态能级与Kr激发态5p[3/2]2能量仅相差20 cm^(-1),在He/Kr放电体系中加入氩气,有望通过能量共振转移达到补充Kr亚稳态原子(Kr^(*))密度的目的.本文从光谱诊断及亚稳态原子密度激光吸收光谱测量两个角度进行实验分析,结果表明:在100 mbar(1 bar=10^(5)Pa),1%Kr,12.5%Ar气体条件下,Kr(5p[3/2]2)向亚稳态能级跃迁辐射谱线峰值最高可增强约10倍,该跃迁谱线尾部信号从0.6μs延长至14.25μs.实验同时测量了不同Ar含量下Kr^(*)密度.在100 mbar,1%Kr气体条件下加入15%Ar,Kr^(*)密度从4.94×1011cm-3提升至6.96×10^(12)cm^(-3).在气压600 mbar,1%Kr/He混合气体中加入5%Ar,Kr^(*)峰值密度从4.69×10^(13)cm^(-3)提升至5.79×10^(13)cm^(-3).这些结果说明,Ar-Kr的共振能量转移能有效提高Kr^(*)密度,有利于光抽运Kr^(*)激光器的高效运行.

基于DDS的氦光泵磁力仪射频场智能调频研究

地磁场测量在基础地质研究、矿产资源勘查和军事探测等领域得到广泛应用,作为磁场测量核心之一的氦光泵磁力仪探头,其射频场调频精度是决定其磁测精度的重要影响因素。为实现易调节、高精度、高可靠性的调频信号,本文利用直接数字频率合成器(DDS)与微控制器(MCU)相结合方式,研究了磁力仪探头射频场智能精密调频技术,可灵活、实时、自动、精密地对磁力仪探头射频场进行调频。调频信号加载到氦光泵磁力仪系统的联调试验表明,磁力仪获得了稳定精密的磁共振信号,从而保证了磁力仪实现高精度的磁场测量。

光泵气体THz激光器用CO_2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔,Lit-trow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。

氦光泵磁力仪信号的分析及检测

研究了氦光泵磁力仪中共振曲线、基频调制信号和二倍频信号的特征及关系,将二倍频信号应用到光泵磁力仪检测系统中,利用其幅值在共振区外为零、在共振点处达到峰值这一特性,解决了当外磁场变化超出共振区范围时,光泵磁力仪仅利用基频调制信号难以重新快速定位共振点的问题。系统实测信号幅值变化曲线与数学模型曲线相符合,实测共振曲线线宽约200 nT,在共振点处二倍频信号经放大其峰峰值可达12.6 V,满足实用要求,为光泵磁力仪性能的提升提供了有效方法。

新型光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器

用量子阱技术生长的半导体材料作激光增益介质,Al GaAs/GaAs对做布喇格反射镜,并以简单的平凹腔做谐振腔,半导体激光器作泵浦源,制作出了光泵垂直外腔面发射半导体激光器.在抽运功率1.5W时,得到了中心波长1005nm、最大输出功率40mW的激光,光-光转换效率2.7%.

铯光泵磁力仪光电检测电路噪声特性研究

光电检测电路噪声性能是影响磁力仪灵敏度的重要因素。基于M_x型铯光泵磁力仪光电信号的特点,对磁力仪光电检测电路噪声来源进行分析,建立了基于跨阻放大电路的等效噪声模型,推导出电路信噪比及输出噪声频谱特性,并分析各噪声分量在总噪声中的比重;根据磁力仪拉莫尔信号频带范围,设计研制了具有低噪声性能的光电检测电路并应用于铯光泵磁力仪。测试结果表明,所提噪声模型理论分析和实验结果一致,基于跨阻放大的光电检测电路,其低频段噪声主要由等效电流噪声决定,随着频率升高,放大器等效电压噪声逐渐起主要作用。进一步的野外实验表明,基于光电检测电路所研制的光泵磁力仪噪声达0.6 pT/√Hz,与国外同类产品CS-VL水平相当。

氦光泵磁力仪信号检测控制回路的设计

为了解决氦光泵磁力仪传统检测控制方法跟踪速度慢,难以较快速率进行连续测量的问题,设计了检测控制回路采用同时应用基频和二倍频信号的方法,利用二倍频信号幅值变化的特点来完成加速积分作用,从而实现对外磁场变化的快速跟踪。该回路中还实现了一种输出频率范围宽,大于8～20 MHz;波段覆盖系数大,达到2.5,且具有较高瞬时稳定度的压控振荡器,可满足对整个地磁场范围的测磁要求。

氦光泵磁力仪中磁敏传感器的研制

介绍了应用于氦光泵磁力仪的磁敏传感器的工作原理,分析并讨论了该传感器的研制过程,给出了研制该传感器的一些重要参数。另外,为了能够缩短激励时间,提出了一种用于激励氦光源的新方法。实验表明,利用所制传感器可获得磁共振信号的直流分量大于16V,幅度约为400mV,共振线宽小于150nT。配合本实验室研制的检测电路,获得的被测磁场数值与已有的磁力仪获得的数据基本一致。

铯光泵磁力仪(G880)在海洋工程勘探方面的应用

为准确测出光、电缆的位置，利用G880铯光泵磁力仪，在芦潮港和大小洋山之间进行了磁力探测。经过探测，海底通信光缆能引起8～20nT磁异常，海底动力电缆能引起约2000nT的强异常，根据磁异常形态曲线可定出光缆的位置。依据光缆的结构原理图，分析探讨光、电缆产生磁异常的原因。

基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计

铯光泵磁力仪需要通过测量频率换算得到磁场值。以FPGA(现场可编程门阵列)为核心,采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)语言设计等精度频率计,完成了对铯光泵磁力仪输出频率的采集。该等精度频率计包含整形模块、FPGA测量模块、单片机模块。经测试,该等精度频率计计数分辨率为0.007Hz,对应磁场值为2p T。

光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究进展

近年来,光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器由于其光束质量好、可实现大功率输出,受到了广泛的关注。在介绍其基本工作原理的基础上,综述了不同波段光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究现状与进展,并分析、讨论了实现高功率光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器面临的主要问题及解决方案。

光泵THz激光器进展及其应用前景

阐述了太赫兹辐射产生的各种方法及其特点,分析了国内外光泵太赫兹激光器的发展及研究现状,指出在实际应用中光泵太赫兹激光器具有效率高、覆盖频率宽、输出功率高等优点,是目前可实用化的THz激光辐射源.另外,还介绍了光泵太赫兹激光器在成像、探测、医疗诊断等领域的实际应用及其广阔的前景.

双向光泵浦XeF(C-A)激光

讨论了双向光泵浦XeF(C-A)激光技术,给出了双向泵浦情况下的XeF2光解离波图像。在双向泵浦条件下XeF(C-A)激光输出能量提高了近3倍,最大输出达到3.3 J,激光脉宽增加到1 100 ns。激光输出特性受XeF2初始浓度的显著影响,激光形成时间随XeF2初始浓度增大而加长,激光脉宽先增大后减小,激光近场光斑呈现出不同的形状,由方形变化为“X”形状。