基于雙吸收室的自激式Cs原子激光光泵磁力儀

郭立新　王羚

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于雙吸收室的自激式Cs原子激光光泵磁力儀系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱的自激式激光光泵磁力儀中的原子吸收室相互抵消相移，使自激式激光光泵磁力儀系統(tǒng)在不存在±90°移相電路的情況下，也能滿足θ=0°的相位條件，從而使整個(gè)自激式光泵磁力儀系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，還能使自激式光泵磁力儀系統(tǒng)的共振譜線更加對(duì)稱，能極大降低由原子能級(jí)共振譜線不對(duì)稱而引起的轉(zhuǎn)向差。

關(guān)鍵詞：光泵磁力儀;自激式;拉莫爾頻率;雙吸收室

0? 引言

光泵原子磁力儀（OPM）是通過(guò)測(cè)量原子磁矩在靜磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量靜磁場(chǎng)的一種磁場(chǎng)標(biāo)量測(cè)量?jī)x器[1]。共振光源用于極化原子使原子自旋取向產(chǎn)生宏觀磁矩，然后，通過(guò)檢測(cè)原子氣體對(duì)共振光吸收系數(shù)來(lái)檢測(cè)磁矩進(jìn)動(dòng)效應(yīng)。光泵原子磁力儀的早期研究可以追溯到上世紀(jì)六十年代[2，3]，當(dāng)時(shí)主要采用原子光譜燈作為泵浦光源。近年來(lái)，隨著微加工工藝和小型半導(dǎo)體激光器研究的進(jìn)展，采用激光作為泵浦光源的光泵原子磁力儀又成為研究熱點(diǎn)[4-6]。

堿金屬或氦原子能級(jí)在弱磁場(chǎng)中產(chǎn)生塞曼分裂，能級(jí)分裂大小與磁場(chǎng)大小成正比。在熱平衡條件下，各塞曼子能級(jí)遵從波爾茲曼分布，各能級(jí)接近均勻分布。在光泵浦作用下，特定偏振狀態(tài)的光被堿金屬原子或氦原子吸收，堿金屬原子或氦原子對(duì)光的吸收在滿足能量守恒的同時(shí)還受到選擇定則的約束，原子熱平衡狀態(tài)在光泵浦作用下被打破而產(chǎn)生一定的自旋取向，在光傳播方向上形成宏觀磁矩[7-8]。宏觀磁矩使堿金屬原子或氦原子在磁場(chǎng)中受到力矩作用，其圍繞磁場(chǎng)作拉莫爾進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)成正比，可表示為ω=γB，γ為旋磁比。利用射頻線圈產(chǎn)生的射頻頻率與拉莫爾頻率產(chǎn)生共振的方法，或者利用對(duì)激光波長(zhǎng)、強(qiáng)度或偏振態(tài)的調(diào)制頻率與拉莫爾頻率產(chǎn)生共振的方法，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)獲取拉莫爾頻率，根據(jù)其與磁場(chǎng)的正比例關(guān)系，得到磁場(chǎng)大小。

Mx結(jié)構(gòu)自激式的光泵磁力儀是使拉莫爾大小的頻率信號(hào)在系統(tǒng)中產(chǎn)生正反饋振蕩，根據(jù)所測(cè)得的系統(tǒng)振蕩頻率值而得到磁場(chǎng)大小。自激式的光泵磁力儀具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前很多光泵磁力儀（如Cs-L、Cs-3等）均采用這種方法。為了使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的正反饋，需要使整個(gè)回路滿足相位θ=0°和放大倍數(shù)u=1的條件，通常采用的方法是設(shè)計(jì)包含90°移相電路和增益可調(diào)的放大電路[9]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于Cs原子能級(jí)不對(duì)稱且隨磁場(chǎng)變化，加上激光與Cs原子相互作用引起的光頻移，當(dāng)磁場(chǎng)與光泵磁力儀的相對(duì)方向發(fā)生變化時(shí)，所測(cè)得的磁場(chǎng)值會(huì)帶有轉(zhuǎn)向差;90°移相電路也大大增加了整個(gè)電路的復(fù)雜性。

本文研究了一種采用雙吸收室結(jié)構(gòu)的激光光泵Cs原子光泵磁力儀系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)稱的雙吸收室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)回路在不存在±90°移相電路的情況下相位差為0，從而使整個(gè)自激式光泵磁力儀系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，還能使自激式光泵磁力儀系統(tǒng)的共振譜線更加對(duì)稱，能極大降低由原子能級(jí)共振譜線不對(duì)稱而引起的轉(zhuǎn)向差。

1? 工作原理

在沒(méi)有光泵浦作用時(shí)，133Cs原子基態(tài)Fg=3和Fg=4上的粒子數(shù)均勻分布，沒(méi)有極化效果（如圖1所示）。當(dāng)有一束頻率為D1線Fg=3→Fe=4的左旋圓偏振光與銫原子作用時(shí)，根據(jù)躍遷選擇定則，對(duì)于左旋圓偏振光只有滿足ΔmF=+1的兩個(gè)塞曼子能級(jí)間可以產(chǎn)生躍遷，因此基態(tài)Fg=3的粒子數(shù)會(huì)被泵浦至激發(fā)態(tài)Fe=4上磁量子數(shù)高的能級(jí)上。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，粒子會(huì)通過(guò)自發(fā)輻射回落到基態(tài)Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能級(jí)上。回落到基態(tài)Fg=3上的粒子會(huì)由于光泵浦作用繼續(xù)被泵浦至磁量子數(shù)高的能級(jí)上。最終Fg=3上的粒子數(shù)會(huì)被抽空，全被泵浦至Fg=4線上，并且在|Fg=4，mF=4>塞曼子能級(jí)上的粒子數(shù)最多。從而使Fg=4態(tài)上的粒子數(shù)分布不均勻，實(shí)現(xiàn)原子自旋的極化。而在右旋圓偏振光作用下，極化過(guò)程相反。

原子吸收室中的原子能級(jí)在外磁場(chǎng)下產(chǎn)生塞曼分裂，形成塞曼子能級(jí)，在圓偏振光的泵浦下，原子塞曼子能級(jí)的熱平衡狀態(tài)被打破，則原子將會(huì)產(chǎn)生一定的自旋取向，并在圓偏振光的傳播方向上形成宏觀磁矩，宏觀磁矩的存在使得原子吸收室中的原子在外部磁場(chǎng)下受到力矩作用，原子將圍繞外部磁場(chǎng)作拉莫爾進(jìn)動(dòng)，且拉莫爾進(jìn)動(dòng)的頻率與外部磁場(chǎng)的大小成正比;由此可見(jiàn)，若想要通過(guò)自激式激光光泵磁力儀測(cè)量外部磁場(chǎng)的大小，就需要知道拉莫爾進(jìn)動(dòng)的頻率。同時(shí)在交變磁場(chǎng)的作用下，交變磁場(chǎng)使得原子磁矩相干，原子磁矩相干后，原子磁矩的大小變化才是一個(gè)周期性信號(hào)，呈現(xiàn)周期性才能保持一個(gè)穩(wěn)定的頻率，而從原子吸收室輸出的光信號(hào)的光強(qiáng)與原子磁矩的大小成線性相關(guān)，則當(dāng)原子磁矩大小周期性變化時(shí)，光信號(hào)的光強(qiáng)也周期性變化，也就是說(shuō)，此時(shí)光信號(hào)的頻率與原子磁矩的頻率相同;而當(dāng)射頻線圈上的交流電信號(hào)的頻率與拉莫爾頻率相等時(shí)，說(shuō)明被圓偏振光泵浦后的原子能級(jí)與射頻線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生共振，形成光磁共振效應(yīng)，此時(shí)，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)再輸入射頻線圈。產(chǎn)生自激振蕩需要滿足兩個(gè)條件：整個(gè)系統(tǒng)回路相位差滿足θ=2nπ（n=0，±1，…）;系統(tǒng)放大倍數(shù)u在起振時(shí)略大于1，而在形成穩(wěn)定振蕩后大小為1。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2所示為雙吸收室自激式Cs原子激光光泵磁力儀系統(tǒng)示意圖，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光線經(jīng)擴(kuò)束器2擴(kuò)束，經(jīng)半透半反鏡3和反射鏡4、5、6后變?yōu)榉捶较騻鞑サ膬墒?，兩束光分別經(jīng)過(guò)偏振片7、14和1/4玻片8、15后變?yōu)樽笮龍A偏振光，然后經(jīng)過(guò)吸收室10、17，再通過(guò)匯聚透鏡11、18聚焦到光電探測(cè)器12、19上將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測(cè)器12/19上的信號(hào)經(jīng)放大器13/20分別放大后連接至射頻線圈9/16，頻率計(jì)數(shù)器21用于測(cè)試系統(tǒng)振蕩頻率。

圓偏振光模塊（7/8和14/15）出射的兩束大小相等、方向相反的圓偏振光分別入射到原子吸收室10和17，在射頻線圈9產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)的共同作用下，圓偏振光通過(guò)泵浦原子吸收室10形成光磁共振，則原子吸收室10得到第一輸出光;同時(shí)，在射頻線圈16產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)的共同作用下，圓偏振光通過(guò)泵浦原子吸收室17形成光磁共振，則原子吸收室17得到第二輸出光。光電探測(cè)器12用于將第一輸出光轉(zhuǎn)換為第一電信號(hào)，然后第一電信號(hào)輸入到射頻線圈16，則射頻線圈16為原子吸收室17中的光磁共振提供交變磁場(chǎng)。光電探測(cè)器19用于將第二輸出光轉(zhuǎn)換為第二電信號(hào)，然后第二電信號(hào)輸入到射頻線圈9，則射頻線圈9為原子吸收室10中的光磁共振提供交變磁場(chǎng)。頻率計(jì)數(shù)器21用于測(cè)量第一電信號(hào)或第二電信號(hào)的振蕩頻率值，然后通過(guò)振蕩頻率值與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到外部磁場(chǎng)的大小。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了自激式的Cs原子激光光泵磁力儀，采用對(duì)稱分布的雙吸收室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)使得自激式激光光泵磁力儀系統(tǒng)在不存在±90°移相電路的情況下，也能滿足θ=0°的相位條件，使整個(gè)自激式光泵磁力儀系統(tǒng)避免了±90°移相電路，從而使電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。除此之外，自激式光泵磁力儀系統(tǒng)的共振譜線也更加對(duì)稱，由原子能級(jí)共振譜線不對(duì)稱而引起的轉(zhuǎn)向差得到更好地抑制。

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