基于半导体激光器的氦光泵磁力仪的关键技术研究

The fields of geological survey, mineral prospecting, marine geomagnetic survey, the track and detection of submarine and space exploration take the anomaly magnetic detection, Helium Optical Pumping Magnetometer as one of its important tools. Helium Optical Pumping Magnetometer is always developing with the target of wider fields of application, higher sensitivity and lower noise level. Meanwhile, Helium Optical Pumping Magnetometer is also applied to vector measurement with proper magnetic compensation. The project task uses semiconductor laser replace of gaseous discharge lamp, Helium Optical Pumping Magnetometer based on semiconductor laser can be accomplished by taking the advantages of single spectrum line and intense output optical power of laser and combining digitalize detection circuit. This project task mainly research the technology of illuming cell that the incentive power is tunable in order to coordinate semiconductor laser to output beam, it provides a comparison for the different effects of linearly polarized light and circularly polarized light by theoretical arithmetic and experimental verification, it research wavelength stabilization technology of semiconductor laser. It also analyse and restrain every kinds of noises generated by laser and circuit in order to improve the performance of the Helium Optical Pumping Magnetometer we are developing. The developing target of this project task: working range of magnetometer: 25000nT-100000nT, sensitivity is 0.001nT/ √Hz. The research findings can be applied to the fields of aeromagnetic survey and military anomaly magnetic detection, they also can be applied to magnetic measurement equipment used in satellites.

氦光泵磁力仪的磁异常探测在地质调查、矿产普查、海洋磁测、潜艇的跟踪与探测、导弹和飞机的导航以及空间探测等领域有着广泛的应用。氦光泵磁力仪始终在向更宽应用范围，更高灵敏度及更低噪声水平方向发展，同时配合适当磁补偿，还可适用于矢量测量。本课题利用半导体激光器代替原来的气体放电灯 ，通过发挥激光谱线单一，输出光功率强等优点，配合数字化检测电路实现基于半导体激光器的氦光泵磁力仪。主要研究内容有：配合半导体激光器输出光束的激励功率可调的吸收室点亮技术；理论计算与实验验证两方面对比线偏振光与圆偏振光的不同效果；半导体激光器的波长稳定技术；分析并抑制由激光器和电路产生的各种噪声，提高激光氦光泵磁力仪的性能指标。本课题的研究目标是：磁力仪工作范围 25000nT-100000nT，灵敏度0.001nT/ √Hz。研究成果可应用于航空磁测和军事磁异常探测等领域，也可应用于卫星上所用的磁测设备。

氦光泵磁力仪的磁异常探测在地质调查、矿产普查、海洋磁测、潜艇的跟踪与探测、导弹和飞机的导航以及空间探测等领域有着广泛的应用。由于传统氦光泵磁力仪使用的是气体放电灯，受原理性限制，已发展到了瓶颈期。本项目旨在挖掘半导体激光器自身的性能，利用半导体激光器代替原来的气体放电灯，发挥其谱线单一，输出光功率强的特点，实现基于半导体激光器的激光氦光泵磁力仪关键技术研究。首先，建立理论实验坐标系，通过光磁作用的布洛赫方程推导出了激光氦光泵磁力仪灵敏度公式中的共振曲线线宽和信噪比表达式，完成了磁力仪磁测量光磁共振原理公式的推导计算，简要分析了影响磁力仪灵敏度的几类因素。然后，针对激光氦光泵磁力仪的光源需求，搭建了基于饱和吸收谱法的1083nm外腔式半导体激光器稳频系统，在温度与电流一定的情况下利用外腔长度调谐的方式实现了激光器1083.207nm的稳定输出，并将利用此光源与气体放电灯光源测试所得的共振曲线进行了比较。结合光学组件，氦吸收室，射频线圈和光电检测器件设计制作了激光氦光泵磁力仪传感器。其次，配合传感器，研究完成了磁力仪检测系统的测量原理分析并进行了MATLAB原理性建模与仿真；初步研究了功率可调的吸收室激励技术，为进一步简化激光氦光泵装置提供了技术储备；设计了一种结合共振曲线及其一阶导数和二阶导数曲线的共振点扫描测量方法，利用PID控制系统能够快速准确的实现磁场值锁定；初步实现了工作范围的测试和灵敏度的标定。此外，为项目组研究的可持续性发展，在本项目的支持下，研究了磁测仪器在实际应用中的探测技术：初步研究了航空磁测数据补偿和地磁场空间差分测量方法。本项目研究成果基本达到了预期的研究成果,对促进我国磁测仪器及其探测技术的发展具有积极意义。