微小型CPT原子磁力儀*

李明陽(yáng)， 王學(xué)鋒， 盧向東， 鄧意成， 李新坤， 王風(fēng)嬌

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心，北京 100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854)

0 引 言

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)航磁測(cè)量作為傳統(tǒng)有人機(jī)航磁測(cè)量的補(bǔ)充，以其成本低、人為干預(yù)少、無(wú)人員安全隱患等優(yōu)勢(shì)在地質(zhì)調(diào)查、資源勘探和水下磁性目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1～3]。

磁力儀是無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)中的核心傳感器，對(duì)測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外磁力儀種類主要包括磁通門磁力儀、光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀、超導(dǎo)磁力儀和原子磁力儀[4～7]。其中，相干布居俘獲(coherent population trapping,CPT)原子磁力儀利用原子能級(jí)的塞曼分裂測(cè)量磁場(chǎng)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、無(wú)方向盲區(qū)、探頭無(wú)線圈且體積小等優(yōu)點(diǎn)[8,9]，較其他磁力儀更適合小型無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外高精度CPT原子磁力儀大多采用了全光探頭方案。奧地利空間研究中心和格拉茨技術(shù)大學(xué)合作研制了基于CPT原理的雙暗態(tài)磁力儀[10～12]，全光結(jié)構(gòu)探頭體積約為300 cm3，遠(yuǎn)小于光泵磁力儀和Overhauser磁力儀，但是該探頭為對(duì)射同軸式圓柱體，光纖跳線從探頭兩端伸出，彎曲后再連回電子箱，光纜彎曲布置極大地增加了探頭的外輪廓尺寸，并且彎曲部分的光纜處于懸空狀態(tài)，使用時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行額外保護(hù)，不利于小型無(wú)人機(jī)搭載應(yīng)用。在小型化磁力儀研制方面，美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究院基于MEMS技術(shù)研制了表頭體積12 mm3的芯片級(jí)CPT原子磁力儀探頭，由于氣室附近存在金屬元器件及激光器驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)致探頭噪聲較大，約為100 pT/Hz1/2@1 Hz[13]，無(wú)法滿足高精度磁異常探測(cè)需求。得益于電路集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有CPT磁力儀電子箱的體積、重量和性能能夠滿足小型無(wú)人機(jī)搭載使用要求，探頭體積和性能成為了制約CPT磁力儀機(jī)載應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

綜上可知，CPT原子磁力儀雖然具有高精度、低功耗和全向性等特點(diǎn)，在小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)磁異測(cè)量應(yīng)用中占有較大優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有的CPT原子磁力儀因體積和性能等原因尚不能滿足小型無(wú)人機(jī)搭載的使用需求。為了滿足這一需求，必須進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

1 CPT原子磁力儀測(cè)量原理

CPT原子磁力儀通過(guò)CPT現(xiàn)象測(cè)量87Rb原子在磁場(chǎng)下的塞曼能級(jí)分裂頻率間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。CPT現(xiàn)象和塞曼效應(yīng)是CPT原子磁力儀能夠進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的兩個(gè)最基本物理原理。

塞曼效應(yīng)指原子在磁場(chǎng)中能級(jí)發(fā)生劈裂的現(xiàn)象[14]，以87Rb原子D1線為例，其塞曼子能級(jí)如圖1所示。

圖1 87Rb原子D1線塞曼子能級(jí)

圖1中，Λ1、Λ2、Λ3為原子Λ型三能級(jí)系統(tǒng)，52P1/2為激發(fā)態(tài)，52S1/2為基態(tài)，F(xiàn)e和Fg為超精細(xì)結(jié)構(gòu)，m為塞曼分裂。基于塞曼分裂的磁場(chǎng)計(jì)算如式(1)和式(2)所示

Δv=v1-v2=Δv0+2mFγB

(1)

(2)

式中v1，v2為相干光束頻率，Hz；mF(0,±1…)為兩基態(tài)能級(jí)的磁量子數(shù)，基態(tài)能級(jí)確定時(shí)為常數(shù)；Δv0為mF=0時(shí)基態(tài)Fg=2與Fg=1的頻率差，Δv0≈6.834 682 6 GHz；γ為銣原子旋磁比，γ≈6.998 123 Hz/nT；B為待測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，nT。由式(2)可知，求得兩束相干光的頻率差即可得到待測(cè)磁場(chǎng)值。

在原子Λ型三能級(jí)系統(tǒng)中，如圖1所示，能級(jí)Fg=1，2，mF=1為基態(tài)能級(jí);Fe=2，mF=2為激發(fā)態(tài)能級(jí)，兩束頻率為v1和v2的相干光束作用于原子，v1和v2分別對(duì)應(yīng)能級(jí)Fg=1，2,mF=1與能級(jí)Fe=2，mF=2間的躍遷頻率。當(dāng)兩束光的頻差Δv滿足式(1)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩基態(tài)能級(jí)相干疊加，原子被陷俘在疊加態(tài)上無(wú)法躍遷的現(xiàn)象，此現(xiàn)象即為CPT現(xiàn)象。此時(shí)原子不再吸收光，產(chǎn)生透射增強(qiáng)電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency,EIT)信號(hào)。

采用微波對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)微波調(diào)制頻率滿足式(1)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)CPT效應(yīng)。當(dāng)磁量子數(shù)mF取0，+1，-1時(shí)，依次形成0級(jí)EIT信號(hào)、+2級(jí)EIT信號(hào)和-2級(jí)EIT信號(hào)，如圖2所示。

圖2 EIT信號(hào)

將mF=-1，0，+1依次代入式(1)求得頻率差分別為

ΔvmF-1=Δv0/2-γB

(3)

ΔvmF0=Δv0/2

(4)

ΔvmF+1=Δv0/2+γB

(5)

由式(4)減式(3)，式(5)減式(4)得

γB=ΔvmF0-ΔvmF-1

(6)

γB=ΔvmF+1-ΔvmF0

(7)

由式(6)和式(7)可知，通過(guò)求得相鄰EIT峰間的頻差即可求出待測(cè)磁場(chǎng)值。

綜上可知，CPT原子磁力儀利用原子能級(jí)的塞曼分裂測(cè)量磁場(chǎng)，不受其他外界因素干擾，因此具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高和無(wú)方向盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。

2 微小型CPT原子磁力儀

2.1 反射光路式微小型CPT原子磁力儀探頭

微小型CPT原子磁力儀由電子箱和微小型CPT原子磁力儀探頭組成，如圖3(a)所示，探頭與電子箱通過(guò)單模保偏光纖跳線、多模光纖跳線和高頻加熱線連接。微小型CPT原子磁力儀探頭采用反射光路方案，如圖3(b)所示，由準(zhǔn)直透鏡、PBS、1/4波片、微小型原子氣室和直角棱鏡構(gòu)成反射光路。

圖3 微小型CPT原子磁力儀

入射激光首先經(jīng)光纖準(zhǔn)直器轉(zhuǎn)換為平行光，再經(jīng)PBS偏轉(zhuǎn)90°，由S軸輸出線偏振光，線偏振光經(jīng)1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光與原子氣室內(nèi)銣原子作用，隨后經(jīng)直角棱鏡反射通過(guò)光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入多模光纖。多模光纖將帶有磁場(chǎng)信息的激光傳輸回電子箱進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，解算出磁場(chǎng)信息。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用反射光路方案成功研制出了體積15.6 cm3的微小型CPT原子磁力儀探頭，如圖3(c)所示。

2.2 微小型原子氣室

CPT原子磁力儀使用的原子氣室是一個(gè)密閉的玻璃腔室，原子氣室內(nèi)壁進(jìn)行反弛豫鍍膜，原子氣室內(nèi)部密封堿金屬87Rb原子以及特定配比的緩沖氣體。反弛豫鍍膜和緩沖氣體可有效提高原子弛豫時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更高精度的磁場(chǎng)測(cè)量。

原子氣室是CPT原子磁力儀的核心器件，其體積和弛豫特性直接影響微小型CPT原子磁力儀體積和精度，微小型原子氣室制造技術(shù)是現(xiàn)階段微小型CPT原子磁力儀研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文通過(guò)攻克微型氣室玻殼精密加工、堿金屬精確填充和耐高溫抗弛豫鍍膜等關(guān)鍵技術(shù)成功研制了直徑和長(zhǎng)度均為1 cm的微小型原子氣室，如圖4所示，滿足了微小型CPT原子磁力儀研制需要。

圖4 微小型原子氣室

3 性能測(cè)試

3.1 準(zhǔn)確度與非線性度測(cè)試

通過(guò)與Overhauser質(zhì)子磁力儀比對(duì)的方式，對(duì)微小型CPT原子磁力儀準(zhǔn)確度和非線性度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件如圖5所示。

圖5 磁力儀性能測(cè)試

圖6 準(zhǔn)確度與非線性度測(cè)試結(jié)果

由圖6線性擬合和擬合殘差可知，微小型CPT原子磁力儀測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.24 nT。由非線性度計(jì)算式(8)可知，微小型CPT原子磁力儀非線性度優(yōu)于0.000 24 %

l=0.24/100 000=2.4×10-6

(8)

3.2 噪聲測(cè)試

在地磁場(chǎng)條件下采集微小型CPT原子磁力儀磁場(chǎng)輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)傅里葉變換得到當(dāng)前磁場(chǎng)條件下的噪聲功率譜密度曲線。微小型CPT原子磁力儀噪聲測(cè)試原始數(shù)據(jù)如圖7(a)所示，噪聲功率譜密度曲線如圖7(b)所示。

圖7 噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖7測(cè)試結(jié)果可知，微小型CPT原子磁力儀噪聲優(yōu)于15.34 pT/Hz1/2@1～15 Hz。

3.3 磁場(chǎng)跟蹤能力測(cè)試

使用信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)直接激勵(lì)線圈，在頻率0.2 Hz、峰峰值50 mV、占空比50 %、微小型CPT原子磁力儀采樣頻率f為30 Hz、磁場(chǎng)峰峰值Pm為50 nT的測(cè)試條件下，微小型CPT原子磁力儀磁場(chǎng)跟蹤曲線如圖8所示。由測(cè)試結(jié)果可知，微小型磁力儀磁場(chǎng)跟蹤曲線上升或下降沿最大采樣點(diǎn)數(shù)n=4，即微小型磁力儀能夠在4/30 s內(nèi)完成50 nT磁場(chǎng)階躍跟蹤(每個(gè)“*”代表一個(gè)采樣點(diǎn))。

圖8 磁場(chǎng)跟蹤測(cè)試結(jié)果

微小型CPT原子磁力儀磁場(chǎng)跟蹤能力Dt計(jì)算式如下

Dt=(Pm×f)/n

(9)

式中Pm為磁場(chǎng)峰峰值，nT；f為微小型CPT原子磁力儀采樣頻率，Hz；n為上升或下降沿最大采樣點(diǎn)數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可知，微小型CPT原子磁力儀磁場(chǎng)跟蹤能力優(yōu)于375 nT/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有磁力儀綜合性能不足以滿足小型無(wú)人機(jī)磁異探測(cè)工程應(yīng)用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種光纖準(zhǔn)直器在探頭結(jié)構(gòu)同側(cè)的微小型CPT原子磁力儀，線纜布置和安裝更加便捷，探頭體積小于16 cm3，滿足了小型無(wú)人機(jī)搭載使用需求。經(jīng)測(cè)試，微小型CPT原子磁力儀準(zhǔn)確度優(yōu)于0.24 nT，非線性度優(yōu)于0.000 24 %，磁場(chǎng)跟蹤能力優(yōu)于375 nT/s，噪聲優(yōu)于15.34 pT/Hz1/2@1～15Hz。