自旋投影噪聲對(duì)銫原子磁力儀分辨率的影響

王豐++劉炳勝++張軍海++刑蘇星++張碩

摘 要：介紹了一種全光學(xué)的高靈敏度銫原子磁力儀，從理論方面分析了自旋投影噪聲的來源及其產(chǎn)生機(jī)理，并計(jì)算了噪聲的影響程度。這些研究工作為銫原子磁力儀相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的順利進(jìn)行提供了必要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：銫原子磁力儀；原子磁力儀靈敏度；自旋投影噪聲；磁場(chǎng)精確測(cè)量技術(shù)

中圖分類號(hào)：P631.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.103

磁場(chǎng)精確測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用科學(xué)、軍事工程技術(shù)、大氣地球物理學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域，它在其中發(fā)揮著非常重要的作用。而提高微弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的分辨精度是近些年研究的熱點(diǎn)問題之一。20世紀(jì)中期，人們基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)，利用新超導(dǎo)材料制成了超導(dǎo)量子干涉磁力儀。其測(cè)量分辨率極高，能夠達(dá)到飛秒量級(jí)，但只有在低溫環(huán)境中工作介質(zhì)才能正常工作。本文選用銫原子作為工作介質(zhì)，它不在低溫環(huán)境中就可以實(shí)現(xiàn)高分辨率磁力儀。同時(shí)，采用數(shù)值計(jì)算的方式分析了影響無自旋交換弛豫的銫原子磁力儀靈敏度的因素，并針對(duì)自旋投影噪聲與激光頻率失諧的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

1 銫原子磁力儀工作原理

銫原子磁力儀是由抽運(yùn)激光、檢測(cè)激光、氣態(tài)銫泡和信號(hào)檢測(cè)4部分構(gòu)成的。波長(zhǎng)為894 nm右旋圓偏振激光束沿著z軸的正方向傳播，激光束腰斑直徑為4 mm，抽運(yùn)激光使銫原子產(chǎn)生躍遷。由于其激發(fā)態(tài)壽命短，電子會(huì)自發(fā)輻射回到基態(tài)上，進(jìn)而在波長(zhǎng)為894 nm的抽運(yùn)光的持續(xù)作用下使所有原子都處于激發(fā)態(tài)。這樣檢測(cè)光經(jīng)過銫原子氣泡后，通過測(cè)量檢測(cè)光極化方向旋轉(zhuǎn)角度就可以知道磁場(chǎng)B的大小。

2 自旋投影噪聲理論分析

由抽運(yùn)激光與銫原子的相互作用可知，銫原子磁力儀的分辨率受到激光自旋投影噪聲的影響，制約了無自旋交換弛豫銫原子磁力儀分辨率的進(jìn)一步提高。因此，需要從理論方面入手分析噪聲的來源，并計(jì)算其影響程度。

激光的自旋投影噪聲是激光光場(chǎng)粒子性的量子化表現(xiàn)。受海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限制，無法去除該噪聲。

銫原子電子的自旋在X方向偏振極化方均根測(cè)不準(zhǔn)度為：

由激光的自旋投影噪聲表達(dá)式可知，銫原子橫向弛豫系數(shù)與檢測(cè)激光的頻率有關(guān)。由此可得，激光的自旋投影噪聲與檢測(cè)激光頻率失諧之間的關(guān)系——當(dāng)檢測(cè)激光頻率零失諧時(shí)，自旋投影噪聲為1.32×10-15 T?Hz-1/2。檢測(cè)激光頻率的失諧情況會(huì)直接影響銫原子磁力儀的精度。

由激光的自旋投影噪聲表達(dá)式可知，自旋投影噪聲不取決于銫原子核的慢化因子，它是受銫原子數(shù)密度、氣泡體積和總弛豫的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，分別計(jì)算了1×1013 cm-3、1.7×1013 cm-3、2.1×1013 cm-3、5×1013 cm-3的銫原子數(shù)密度對(duì)應(yīng)的銫原子磁力儀分辨率，它們分別為1.71×10-15 T?Hz-1/2、1.32×10-15 T?Hz-1/2、1.18×10-15 T?Hz-1/2、0.75×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，銫原子數(shù)密度越大，自旋投影的噪聲越小，銫原子磁力儀分辨率越高。同時(shí)，計(jì)算了0.078 5 cm3、0.117 75 cm3、0.157 00 cm3、0.196 35 cm3的銫原子氣泡的體積對(duì)應(yīng)的銫原子磁力儀分辨率，它們分別為1.31×10-15 T?Hz-1/2、1.09×10-15 T?Hz-1/2、0.93×10-15 T?Hz-1/2和0.83×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，銫原子氣泡的體積越大，自旋投影的噪聲越小。噪聲水平與體積、分子數(shù)密度和總弛豫系數(shù)是反比例關(guān)系。

3 結(jié)論

工作人員分析了銫原子磁力儀可知，最優(yōu)化銫泡的體積為0.157 00 cm3。在銫泡分子數(shù)密度為2.1×1013 cm-3的條件下，銫原子磁力儀自旋的投影噪聲大約為1.09 fT?Hz-1/2。這些研究工作為相關(guān)工作人員日后進(jìn)行銫原子磁力儀的實(shí)驗(yàn)研究提供了必要的理論依據(jù)。

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〔編輯：白潔〕