泵浦光光強(qiáng)對(duì)磁力儀靈敏度的影響分析

于曉東

摘 要： 本文設(shè)計(jì)了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測(cè)的銫原子磁力儀方案，搭建了銫原子磁力儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以磁力儀色散曲線的峰值和線寬之比作為特征值，分析了泵浦光光強(qiáng)對(duì)磁力儀靈敏度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泵浦光強(qiáng)在（0.50.7）mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

關(guān)鍵詞：銫原子磁力儀;靈敏度;影響分析

0 引言

高靈敏度原子磁力儀在生物醫(yī)學(xué)，資源探測(cè)，地震災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)精度越來(lái)越高的要求，磁力儀的性能也不斷的提高。從最常用的霍爾效應(yīng)磁力儀，磁通門磁力儀到超導(dǎo)量子干涉磁力儀（SQUID），磁力儀技術(shù)不斷的向前發(fā)展。其中，SQUID長(zhǎng)期占據(jù)著磁力儀中最高靈敏度的位置。但這種磁力儀體積龐大，需要液氦制冷，裝備和維護(hù)費(fèi)用都非常昂貴，極大的限制了其應(yīng)用范圍。最近十幾年來(lái)，出現(xiàn)了基于原子自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用的原子磁力儀，其靈敏度已經(jīng)超越了SQUID[4-5]。由于原子磁力儀超高的靈敏度，且不需要苛刻的工作條件，自其一出現(xiàn)便受到了廣泛關(guān)注[6-8]。

目前靈敏度最高的原子磁力儀是工作于無(wú)自旋交換弛豫機(jī)制下的。為了消除自旋交換弛豫，需要將原子氣室加熱到很高的溫度（100 C），這時(shí)原子氣室對(duì)光的吸收很強(qiáng)。因此需要將檢測(cè)激光鎖定到遠(yuǎn)離原子共振線的頻率上，通常采用法布里珀羅腔（F-P Cavity）對(duì)激光進(jìn)行穩(wěn)頻。但F-P腔對(duì)溫度，振動(dòng)等都非常敏感，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大的困難。為了避免這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測(cè)方案的銫（Cesium，Cs）原子磁力儀，并分析了泵浦光強(qiáng)對(duì)磁力儀靈敏度的影響。這種原子磁力儀可以工作在40C的較低溫度下，激光頻率可以通過(guò)飽和吸收譜技術(shù)很容易的穩(wěn)定在原子的共振線上，并且仍然具有很高的靈敏度。

1 工作原理

原子磁力儀是通過(guò)測(cè)量原子自旋在外磁場(chǎng)中的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)反映磁場(chǎng)大小的。銫原子磁力儀的基本原理如圖1所示。一束圓偏振泵浦光使原子沿著泵浦光方向極化，在外磁場(chǎng)的作用下，原子的自旋極化矢量將會(huì)繞磁場(chǎng)做拉莫進(jìn)動(dòng)。在與泵浦光垂直的方向用一束線偏振檢測(cè)光來(lái)檢測(cè)極化矢量在檢測(cè)光方向的投影。極化的原子對(duì)線偏振光的左右旋分量的折射率不同，導(dǎo)致穿過(guò)原子氣室的線偏振光的偏振面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦光的調(diào)制頻率與拉莫進(jìn)動(dòng)頻率共振時(shí)，檢測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角最大。因此，通過(guò)判斷最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)制頻率，即可測(cè)出外磁場(chǎng)大小[9-10]。為了達(dá)到高靈敏度的目標(biāo)，需要盡可能的達(dá)到高的極化程度和低的弛豫速率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

銫原子磁力儀的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，采用激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測(cè)光路。通過(guò)檢測(cè)原子氣室在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的圓二向色性來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)大小。

泵浦激光器和檢測(cè)激光器均采用外腔半導(dǎo)體激光器，并通過(guò)飽和吸收譜光路進(jìn)行穩(wěn)頻。穩(wěn)頻后泵浦光工作在銫原子D1線上，檢測(cè)光工作在銫原子D2線上。泵浦光通過(guò)電光調(diào)制器（Electro-Optic Modulator，EOM）進(jìn)行幅度調(diào)制，以使激光調(diào)制頻率與拉莫進(jìn)動(dòng)頻率共振。經(jīng)過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)后，泵浦光進(jìn)入銫原子加熱室。在進(jìn)入原子氣室之前，泵浦光經(jīng)過(guò)一個(gè)起偏棱鏡和一個(gè)/4波片變成圓偏振光，使銫原子自旋磁矩產(chǎn)生極化，泵浦光穿過(guò)原子氣室后被安裝在加熱室內(nèi)壁的黑體吸收，從而避免泵浦光返回氣室產(chǎn)生去極化。檢測(cè)激光經(jīng)過(guò)起偏棱鏡后變成線偏振光進(jìn)入到銫原子氣室，之后經(jīng)過(guò)由/4波片和Wollaston棱鏡構(gòu)成的圓二向色性檢測(cè)光路來(lái)檢測(cè)銫原子的自旋極化。為了提取經(jīng)過(guò)圓二向色性檢測(cè)光路后微小的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)，采用了分光束檢測(cè)法和鎖相放大技術(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了在實(shí)驗(yàn)上分析泵浦光強(qiáng)對(duì)磁力儀靈敏度的影響，基于銫原子磁力儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)磁力儀的響應(yīng)曲線進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件為：泵浦光頻率Cs原子D1線Fg=3→Fe=4線，泵浦光強(qiáng)0.6 mW/cm2;檢測(cè)光頻率Cs原子D2線Fg=4→Fe=5線，檢測(cè)光強(qiáng)0.04 mW/cm2;氣室溫度40 oC。在此條件下，測(cè)量了磁場(chǎng)為100 nT下泵浦光調(diào)制時(shí)的磁力儀譜線，如圖3所示，從中可知譜線寬度約為30 Hz。

在噪聲不變的情況下，磁力儀的靈敏度與色散譜線中心的斜率成正比，斜率越大，靈敏度越高。因此，直觀的從磁力儀的色散譜線來(lái)看，磁力儀的靈敏度也可以近似表示為

式中，ΔB與Δf是磁力儀色散譜線的線寬，S是共振時(shí)的信號(hào)幅度，N是磁力儀單位帶寬內(nèi)的噪聲，S/N表示磁力儀單位帶寬內(nèi)的信噪比。

在不引入額外噪聲的前提下，公式（1）能方便快速的評(píng)價(jià)出磁力儀物理系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響。因此，為了評(píng)價(jià)各參數(shù)對(duì)靈敏度的影響，基于公式（1）和磁力儀的色散譜線，給出磁力儀的優(yōu)值系數(shù)，作為磁力儀的特征值，表示如下

其中，A表示色散譜線的峰峰值，Δf是磁力儀色散譜線的線寬。A越大，Δf越小，則越大，表示磁力儀的靈敏度越高。

原子磁力儀的工作首先需要泵浦光使原子極化，然后通過(guò)檢測(cè)光來(lái)檢測(cè)極化大小。其中泵浦光帶來(lái)的作用不僅能使原子極化，也會(huì)導(dǎo)致弛豫速率增加，使磁力儀的線寬變寬。

為了了解激光光強(qiáng)變化對(duì)銫原子磁力儀的影響，并且找到最適合磁力儀工作的激光光強(qiáng)條件，在實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)不同泵浦光光強(qiáng)下的磁力儀色散譜線進(jìn)行了研究。圖4所示是磁力儀色散譜線的峰峰值隨泵浦光強(qiáng)變化的關(guān)系。從中可以看出，隨著泵浦光強(qiáng)的增加，磁力儀信號(hào)幅值逐漸增加。在光強(qiáng)較小時(shí)，信號(hào)幅度增加迅速，當(dāng)光強(qiáng)大于1.1 mW/cm2時(shí)，信號(hào)幅度增加的非常緩慢，基本趨向飽和。從光泵浦的過(guò)程來(lái)看，由于光泵浦作用原子會(huì)不斷的往磁量子數(shù)高的能級(jí)轉(zhuǎn)移，形成極化效果。而各種弛豫效應(yīng)又會(huì)導(dǎo)致極化的原子重新分布，因此各塞曼子能級(jí)上不斷有原子持續(xù)吸收泵浦光。在一定的光強(qiáng)下，最終達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，原子表現(xiàn)出一定的極化效果。隨著泵浦光的增強(qiáng)，泵浦速率變大，極化效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，泵浦速率遠(yuǎn)大于弛豫速率，造成的結(jié)果是所有的原子被堆積到磁量子數(shù)高的能級(jí)，對(duì)于D1線Fg=3→Fe=4線泵浦而言，最終Fg=3上的原子都被泵浦到了Fe=4線上。而基態(tài)Fg=3上已經(jīng)沒(méi)有原子繼續(xù)吸收泵浦光，極化達(dá)到飽和狀態(tài)。

泵浦光還會(huì)導(dǎo)致磁力儀線寬的增加。圖5所示為色散譜線線寬隨泵浦光強(qiáng)的變化關(guān)系。從圖中可知，隨著泵浦光強(qiáng)的增加，線寬持續(xù)增加，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)線性的變化關(guān)系。對(duì)圖中的數(shù)據(jù)做線性擬合，擬合結(jié)果為f =13.7Ipu+16.0。f 的單位為Hz，Ipu的單位為mW/cm2。這表明，泵浦光強(qiáng)每增加1 mW/cm2，磁力儀線寬會(huì)增加13.7 Hz。當(dāng)泵浦光強(qiáng)為0.62 mW/cm2時(shí)，由泵浦光引起的線寬約為8.5 Hz。為了綜合顯示出泵浦光強(qiáng)對(duì)磁力儀靈敏度的影響，將不同光強(qiáng)下磁力儀色散譜線的特征值繪于圖6中。由于磁力儀中泵浦光和檢測(cè)光是垂直結(jié)構(gòu)，泵浦光強(qiáng)的增加并不會(huì)帶來(lái)明顯的噪聲，因此圖6中值的大小也反映了不同泵浦光強(qiáng)下磁力儀的靈敏度。從圖中可知，當(dāng)泵浦光強(qiáng)在0.50.7 mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測(cè)的銫原子磁力儀方案，避免了通常的射頻調(diào)制方案引入的磁共振線寬增寬，得到了線寬為30Hz的磁力儀響應(yīng)譜線。研究了不同泵浦光光強(qiáng)下的磁力儀響應(yīng)譜線的峰峰值和譜線線寬的變化，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著泵浦光光光強(qiáng)的增加，磁力儀響應(yīng)譜線的峰峰值開(kāi)始會(huì)快速增加，隨后增加幅度會(huì)逐漸趨緩，而線寬則呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。當(dāng)泵浦光強(qiáng)在（0.50.7）mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

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