雙光束抽運(yùn)對全光Cs原子磁力儀靈敏度的影響

劉 強(qiáng)，張曉雨，劉 超，付天舒，劉東明，孫 鑒，夏長超

（1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2.東北石油大學(xué) 黑龍江省高校校企共建測試計(jì)量技術(shù)與儀器儀表研發(fā)中心，黑龍江 大慶163318）

引言

全光銫（Cs）原子磁力儀是利用光磁雙共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱磁場檢測，由于該方法光學(xué)結(jié)構(gòu)相對簡單，工作溫度要求較低，使其更容易小型化，并且目前報(bào)道的磁測量靈敏度在實(shí)驗(yàn)室的條件下已經(jīng)超過超導(dǎo)磁力儀，達(dá)到0.16fT／Hz1／2，小型化的原子磁力儀靈敏度也同樣接近超導(dǎo)磁力儀的水平［1－3］。因此，全光原子磁力儀得到科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并嘗試用于傳統(tǒng)的磁測量領(lǐng)域，如考古、心磁和腦磁測量，無損檢測等［4－5］。

目前，已經(jīng)利用非線性磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)［6］、相干布居囚禁技術(shù)［7］、單光束光強(qiáng)吸收特性［8］、推挽式光抽運(yùn)技術(shù)［9］、無自旋交換弛豫（SERF）效應(yīng)［2］等實(shí)現(xiàn)了高靈敏度原子磁力儀，并不斷設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)優(yōu)化原子磁力儀的靈敏度［10－11］。但高靈敏度的原子磁力儀通常需要將原子氣室加熱至較高的溫度，這在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和功耗。為此，研究了基于Cs原子的原子磁力儀，并且在較低的溫度下即可達(dá)到較高的靈敏度［12］。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽運(yùn)光的頻率鎖定在不同的超精細(xì)共振線時(shí)，原子磁力儀的特性曲線存在較大差異，說明抽運(yùn)光的工作頻率決定了原子磁力儀的靈敏度。為此，本文從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了雙光束抽運(yùn)方法，證實(shí)此方法可有效提高原子磁力儀的靈敏度。

1 基本原理

原子磁力儀的工作原理通常是采用線偏振光檢測被極化的原子在磁場中的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率，原子的極化率直接影響磁力儀的靈敏度。因此，為提高原子磁力儀的輸出信號(hào)幅度，需有效提高抽運(yùn)光作用下的原子極化率。Cs原子D1線超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Cs原子D1超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hyperfine structure of Cs D1 transition

基態(tài)和激發(fā)態(tài)的超精細(xì)能級(jí)間隔分別為9.192GHz和1.167GHz，當(dāng) Cs原子處于弱磁場中時(shí)，由于塞曼效應(yīng)，各超精細(xì)能級(jí)將分裂成2F＋1個(gè)磁子能級(jí)，相鄰2個(gè)磁子能級(jí)的能級(jí)間隔為gμB，其中g(shù)指朗德因子，μ為玻爾磁子，B為外加磁場值。由于外加磁場通常較小，因此這里忽略磁子能級(jí)之間的能級(jí)間隔。

當(dāng)采用線寬為10MHz，波長為894.6nm的外腔半導(dǎo)體激光器照射純Cs原子氣室，連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的工作頻率將觀察到4個(gè)共振透射譜，分別對應(yīng)F＝4→F′＝3，F(xiàn)＝4→F′＝4，F(xiàn)＝3→F′＝3，F(xiàn)＝3→F′＝4共振躍遷線，受多普勒增寬和自然線寬的限制，每個(gè)光譜線寬約為500MHz，如圖2虛線所示。原子磁力儀中Cs原子氣室內(nèi)需充入緩沖氣體氦（He），避免被極化的原子與氣室內(nèi)壁碰撞導(dǎo)致原子退極化。同時(shí)緩沖氣體的存在將導(dǎo)致Cs原子與緩沖氣體原子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致壓致增寬效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用的Cs原子氣室內(nèi)充入13 332.2Pa的He緩沖氣體，由壓致增寬系數(shù)可知［13］，該壓強(qiáng)下透射譜線寬將增寬至2.62GHz，而Cs原子激發(fā)態(tài)的超精細(xì)能級(jí)間隔僅為1.167GHz，因此壓致增寬效應(yīng)將導(dǎo)致F＝4→F′＝3和F＝4→F′＝4共振線合并，F(xiàn)＝3→F′＝3和F＝3→F′＝4共振線合并，如圖2實(shí)線所示。此時(shí)，若將抽運(yùn)光頻率鎖定在F＝4→F′＝3線，將同時(shí)導(dǎo)致F＝4→F′＝4線共振原子躍遷，如圖1虛線所示。根據(jù)躍遷選擇定則，處于基態(tài)F＝4各磁子能級(jí)上的原子經(jīng)抽運(yùn)和激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射，被抽運(yùn)至｜F＝4，mF＝4＞和F＝3態(tài)的各磁子能級(jí)，導(dǎo)致各磁子能級(jí)原子數(shù)的不均勻分布，原子被極化。同理，若將抽運(yùn)光頻率鎖定在F＝3→F′＝4線，將同時(shí)導(dǎo)致F＝3→F′＝3線共振原子躍遷，如圖1實(shí)線所示，處于基態(tài)F＝3各磁子能級(jí)上的原子被抽運(yùn)至F＝4態(tài)的各磁子能級(jí)。而理想的極化狀態(tài)是將基態(tài)各磁子能級(jí)原子全部抽運(yùn)至｜F＝4，mF＝4＞態(tài)，由此可知，當(dāng)采用單光束抽運(yùn)時(shí)，無論抽運(yùn)光的頻率鎖定在哪條超精細(xì)共振線，均無法達(dá)到最佳極化效果，為此若采用雙光束抽運(yùn)的方法，同時(shí)產(chǎn)生F＝4→F′＝3，4和F＝3→F′＝3，4躍遷，將有效提高原子極化率。為清晰解釋雙光束抽運(yùn)時(shí)基態(tài)和激發(fā)態(tài)各磁子能級(jí)上粒子數(shù)的演變過程，可以采用速率方程進(jìn)行推算。

圖2 Cs原子氣室的透射譜Fig.2 Transmission spectra of Cs vapor cell

式中：PF，mF表示基態(tài)各磁子能級(jí)相對粒子數(shù)，初態(tài)時(shí)粒子數(shù)均勻分布在各磁子能級(jí)，每個(gè)磁子能級(jí)相對粒子數(shù)為1／16；QF′，mF′表示 激 發(fā) 態(tài)各磁子能級(jí)相對粒子數(shù)，初始時(shí)刻粒子數(shù)均為零；Ipump表示抽運(yùn)光強(qiáng)；Isat表示飽和光強(qiáng)，取Ipump／Isat＝4；γ指上能級(jí)弛豫速率，取γ＝10MHz，Δ指頻率失諧量，取表示相對躍遷幾率。室溫環(huán)境下自旋交換碰撞、自旋破壞碰撞等因素引起的總弛豫速率通常遠(yuǎn)小于γ，因此在推算過程中忽略弛豫效應(yīng)的影響。

圖3 雙光束抽運(yùn)下各磁子能級(jí)上粒子數(shù)變化的動(dòng)力學(xué)過程Fig.3 Population dynamics of magnetic sublevels as double pumping

圖3給出了雙光束抽運(yùn)下基態(tài)和激發(fā)態(tài)各磁子能級(jí)上粒子數(shù)變化的動(dòng)力學(xué)過程。從圖3（a）中可見激發(fā)態(tài)F′＝4各磁量子數(shù)較小的子能級(jí)上粒子數(shù)具有相同的動(dòng)態(tài)行為，初始時(shí)刻粒子數(shù)均為零，在左旋圓偏振抽運(yùn)光的驅(qū)動(dòng)下快速上升，隨后由于自發(fā)輻射逐漸衰減為零，而｜F′＝4，mF＝3＞和｜F′＝4，mF＝4＞兩個(gè)磁子能級(jí)上的粒子數(shù)初始時(shí)刻快速上升，而后繼續(xù)緩慢增加至極大值后衰減為零，這是由于采用雙光束抽運(yùn)的結(jié)果，穩(wěn)態(tài)下激發(fā)態(tài)上不存在粒子數(shù)布居。根據(jù)躍遷選擇定則，｜F′＝4，mF＝－4＞磁子能級(jí)上粒子布居數(shù)始終為零。圖3（b）給出激發(fā)態(tài)F′＝3各磁子能級(jí)上粒子數(shù)變化的動(dòng)力學(xué)過程，與F′＝4磁量子數(shù)較小子能級(jí)上粒子數(shù)變化的趨勢相同，但粒子數(shù)布居的峰值較小，這主要取決于相對躍遷幾率。由圖3（c）和（d）可知，初始時(shí)刻基態(tài)F＝3和F＝4各磁子能級(jí)上粒子數(shù)相等，均為1／16，在左旋圓偏振光σ＋作用下F＝3和F＝4上的粒子被抽運(yùn)至激發(fā)態(tài)，隨后再自發(fā)輻射回基態(tài)F＝3和F＝4態(tài)，持續(xù)的σ＋光抽運(yùn)導(dǎo)致F＝3各磁子能級(jí)粒子數(shù)完全被抽運(yùn)至F＝4態(tài)，穩(wěn)態(tài)下不存在粒子數(shù)布居。對于｜F＝4，mF＝4＞磁子能級(jí)，根據(jù)躍遷選擇定則，該子能級(jí)上的粒子不受σ＋抽運(yùn)光的作用，而激發(fā)態(tài)的自發(fā)輻射會(huì)使其粒子數(shù)不斷增加，最終將基態(tài)F＝3和F＝4上各磁子能級(jí)上的粒子完全抽運(yùn)至｜F＝4，mF＝4＞態(tài)，由粒子數(shù)分布可推知此時(shí)F＝4態(tài)的原子極化率等于1，原子被完全極化［14］。但由于Cs－Cs原子的碰撞和Cs－He原子碰撞引起的弛豫，導(dǎo)致原子無法實(shí)現(xiàn)理想的完全極化，極化過程與弛豫過程將達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)原子極化率達(dá)到最大值。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測量結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的正確性，實(shí)驗(yàn)選用直徑為3cm，充入13 332.2Pa He緩沖氣體的球型Cs原子氣室搭建全光原子磁力儀，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。Cs原子氣室安裝在正方形加熱室中，為消除磁干擾，采用熱氣流加熱方式使氣室工作在36℃。將此加熱室置于亥姆霍茲線圈中，并保證氣室位于亥姆霍茲線圈中心，采用高穩(wěn)電流源驅(qū)動(dòng)線圈，使其在y方向產(chǎn)生100nT的微弱磁場。為消除環(huán)境磁噪聲和地磁場，將氣室置于坡莫合金制成的屏蔽系數(shù)為10－5的三層磁屏蔽筒中。激光器1和激光器2作為抽運(yùn)光，采用波長為894.6 nm，線寬為10MHz的外腔半導(dǎo)體激光器［15］，并利用飽和吸收譜將輸出頻率分別鎖定在Cs原子D1線的F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4共振線處，輸出光強(qiáng)均為6mW／cm2。兩束光經(jīng)半反半透鏡合光束后射入電光幅度調(diào)制器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，使抽運(yùn)光光強(qiáng)被方波調(diào)制。被調(diào)制的抽運(yùn)光進(jìn)入磁屏蔽筒，經(jīng)反射鏡、偏振片和λ／4波帶片變成圓偏振光后照射Cs原子氣室。檢測光選用波長為852.3nm的外腔半導(dǎo)體激光器，檢測光強(qiáng)為0.2mW／cm2，工作頻率鎖定在Cs原子D2線F＝4→F′＝5共振線，經(jīng)偏振片變成線偏振光后通過Cs原子氣室，檢測裝置采用λ／4和PBS組成的光學(xué)系統(tǒng)檢測Cs原子的圓二向色性，最后經(jīng)光電探測器D1和D2、信號(hào)處理后送入鎖相放大器和示波器。

圖4 原子磁力儀實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Experimental schematic diagram of atomic magnetometer

鎖相放大器輸出的同相信號(hào)如圖5所示，橫軸代表電光調(diào)制器的調(diào)制頻率，縱軸代表磁力儀輸出信號(hào)幅度。由圖可見曲線峰值處的橫坐標(biāo)約為350Hz，根據(jù)ω＝κB，其中ω指拉莫進(jìn)動(dòng)頻率，κ指旋磁比，對于Cs原子κ＝3.5Hz／nT，B指Cs氣室所在位置的y軸方向磁場值，可知此時(shí)磁場值為100nT，因此掃描抽運(yùn)光調(diào)制頻率，通過讀取峰值處的橫坐標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)磁場測量。當(dāng)采用單光束抽運(yùn)時(shí)，抽運(yùn)光頻率分別鎖定在F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4共振線時(shí)的輸出信號(hào)峰值幅度分別為1.75V和3.14V。而采用雙光束抽運(yùn)時(shí)，輸出信號(hào)峰值達(dá)到4.21V，對比雙光束抽運(yùn)和頻率鎖定在F＝3→F′＝4共振線時(shí)的單光束抽運(yùn)結(jié)果可知，磁力儀輸出信號(hào)幅度提高了34%。由于抽運(yùn)光與檢測光傳播方向垂直，探測器受抽運(yùn)光散粒噪聲的影響較弱，可忽略第2束抽運(yùn)光強(qiáng)產(chǎn)生的噪聲，因此根據(jù)原子磁力儀靈敏度的評價(jià)公式［16］，雙光束抽運(yùn)改善了磁力儀輸出信號(hào)的信噪比。同時(shí)，由圖5可見，磁力儀響應(yīng)曲線的線寬并未顯著增寬，若忽略線寬的微小變化，雙光束抽運(yùn)將原子磁力儀的靈敏度提高了34%。

圖5 原子磁力儀響應(yīng)特性曲線Fig.5 Response curve of atomic magnetometer

3 結(jié)論

本文介紹了雙光束同時(shí)抽運(yùn)提高原子磁力儀靈敏度的方法，從理論上分析了兩束抽運(yùn)光頻率分別鎖定在Cs原子D1線F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4時(shí)，Cs原子基態(tài)和激發(fā)態(tài)各磁子能級(jí)上粒子數(shù)變化的動(dòng)力學(xué)過程，分析結(jié)果表明持續(xù)的光抽運(yùn)，導(dǎo)致基態(tài)F＝3和F＝4各磁子能級(jí)上的粒子被完全抽運(yùn)至｜F＝4，mF＝4＞態(tài)，原子極化率達(dá)到極大值，從而有效提高原子磁力儀靈敏度。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明雙光束抽運(yùn)有效提高了原子磁力儀輸出信號(hào)的信噪比，使原子磁力儀的靈敏度提高34%。

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