激光泵浦銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的噪聲抑制

伏吉慶孔 嘉程華富

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院，杭州 310018；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

1 引言

銫-氦磁強(qiáng)計(jì)是一種被設(shè)計(jì)用于高準(zhǔn)確度測(cè)量磁場(chǎng)的量子磁強(qiáng)計(jì)。在目前的磁強(qiáng)計(jì)分類中，質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)和光泵原子磁強(qiáng)計(jì)以高準(zhǔn)確性著稱，在計(jì)量和勘探領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)利用質(zhì)子旋磁比物理常數(shù)測(cè)量磁場(chǎng)，被稱為“絕對(duì)磁強(qiáng)計(jì)”。然而在地磁范圍內(nèi)其靈敏度已經(jīng)受限，準(zhǔn)確度難以突破0.1 nT。光泵磁強(qiáng)計(jì)在弱磁場(chǎng)中以其超高靈敏度受到學(xué)界廣泛關(guān)注，然而這種磁強(qiáng)計(jì)在泵浦光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生約1 nT 的光致轉(zhuǎn)向誤差，導(dǎo)致其準(zhǔn)確度一直無法超越質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)。上世紀(jì)90 年代前蘇聯(lián)科學(xué)家通過將堿金屬銫和氦原子的混合氣室作為工作物質(zhì)研發(fā)了一種銫-氦磁強(qiáng)計(jì)［1］，利用間接光泵浦技術(shù)［2］，從原理上消除了光致轉(zhuǎn)向誤差，使光泵磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度得到大幅提升，成為當(dāng)時(shí)在地磁范圍內(nèi)準(zhǔn)確度最高的磁強(qiáng)計(jì)［3］，同時(shí)由于其磁場(chǎng)測(cè)量值對(duì)溫度、光強(qiáng)、調(diào)制強(qiáng)度等參數(shù)的變化不敏感［4，5］，擁有非常好的計(jì)量學(xué)性質(zhì)，因此被多個(gè)國(guó)家應(yīng)用在國(guó)家基準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置中［6，7］。

基于該技術(shù)，俄羅斯國(guó)家計(jì)量院VNIIM 建設(shè)的銫-氦基準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度在地磁范圍內(nèi)可以達(dá)到約0.01 nT，受限于其靈敏度［5，6］。因此降低噪聲，提高靈敏度是進(jìn)一步提升銫-氦磁強(qiáng)計(jì)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵［8，9］。

為進(jìn)一步提高銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度，搭建了一套銫-氦磁強(qiáng)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過單模激光產(chǎn)生的窄線寬的D1 線共振激光，提升對(duì)銫原子的泵浦效率，從而增大銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的信號(hào)幅值。同時(shí)對(duì)磁測(cè)量的噪聲成分進(jìn)行測(cè)試和分析，研究進(jìn)一步降低測(cè)量噪聲、提高信噪比的方法。

2 銫-氦磁強(qiáng)計(jì)試驗(yàn)裝置

銫-氦磁強(qiáng)計(jì)裝置示意圖如圖1 所示，主要由895 nm 的DBR 激光器提供泵浦光源，銫-氦氣室、光電探測(cè)器、激勵(lì)電極和控制電路等組成的傳感器模塊組成［9］。

圖1 激光泵銫-氦磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser-pumped Cs-He magnetometer

激光光束首先被塞曼飽和吸收鎖頻模塊鎖頻，利用調(diào)整光路將光斑整形為直徑1 cm 的圓偏振光，最終射入銫-氦氣室。利用頻率為50 MHz、重復(fù)頻率為1 kHz 的脈沖微波激勵(lì)亞穩(wěn)態(tài)氦原子。亞穩(wěn)態(tài)氦原子通過和自旋方向已經(jīng)被光極化的銫原子發(fā)生潘寧碰撞和自旋交換碰撞來完成自旋極化［2］。

垂直于光傳播方向施加了用于誘導(dǎo)原子自旋在塞曼子能級(jí)間發(fā)生共振躍遷的交變磁場(chǎng)，從而構(gòu)成MZ型磁強(qiáng)計(jì)［10］。

磁共振信號(hào)通過一個(gè)光電探測(cè)器和5 MΩ 的跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過鎖相放大器進(jìn)一步解調(diào)并輸出磁場(chǎng)測(cè)量值。

整個(gè)傳感器被放置在中國(guó)計(jì)量院的復(fù)式亥姆霍茲線圈系統(tǒng)中，該磁場(chǎng)系統(tǒng)可提供地磁（20～100）μT范圍內(nèi)的高穩(wěn)定度（磁場(chǎng)波動(dòng)峰峰值3 pT）、高均勻度（10 cm 范圍內(nèi)一致性優(yōu)于0.05 nT）的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)B0。

3 試驗(yàn)信號(hào)及分析

3.1 信號(hào)幅值與線寬

首先對(duì)銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的磁共振信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。通過大量試驗(yàn)，可以得到信號(hào)強(qiáng)度對(duì)溫度、調(diào)制強(qiáng)度和脈沖放電強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性［9］，在36 ℃，施加約0.7 mW／cm2的泵浦光，在地磁場(chǎng)附近，可以得到如圖2 所示的經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后的一階諧振磁共振信號(hào)。

圖2 銫-氦磁強(qiáng)計(jì)共振信號(hào)圖Fig.2 Resonance signal of the Cs-He magnetometer

從圖2 中可以看出，磁共振信號(hào)的振幅A為0.4V，半腰半寬ΔB為25 nT。圖2 中，共振中心附近信號(hào)斜率經(jīng)擬合為5.4 nA／nT。而傳統(tǒng)的放電燈泵浦式銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的轉(zhuǎn)換因子約為0.91 nA／nT［4］，銣-氦磁強(qiáng)計(jì)的轉(zhuǎn)換因子為1.75 nA／nT［11］，鉀-氦磁強(qiáng)計(jì)的轉(zhuǎn)換因子為1.67 nA／nT［12］。相比之下，研制的激光泵浦式銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)的轉(zhuǎn)換因子增大了5 倍以上。

傳統(tǒng)的光泵磁強(qiáng)計(jì)中，泵浦光在提供極化原子的同時(shí)，也會(huì)造成功率展寬，因此需要將光強(qiáng)調(diào)節(jié)到一個(gè)最佳值。太弱不足以極化所有原子，使信號(hào)變?nèi)?，太?qiáng)又會(huì)使信號(hào)增寬，使信號(hào)中心的斜率減小，都不利于靈敏度的提升。然而在銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)中，由于氦原子沒有直接被激光極化，而是通過與銫原子的碰撞完成極化過程的，因此泵浦光導(dǎo)致的信號(hào)衰減和線寬增寬效應(yīng)都消失了。

考察了光強(qiáng)與信號(hào)幅值和線寬的關(guān)系。由于在地磁范圍內(nèi)的試驗(yàn)裝置引入光纖，無法使光強(qiáng)在大范圍調(diào)節(jié)，為研究光強(qiáng)的影響，將試驗(yàn)裝置放置在磁屏蔽筒中，施加1 000 nT 磁場(chǎng)，將光纖改變?yōu)樽杂煽臻g射入的泵浦光，并將跨導(dǎo)放大器減小為10 kΩ。如圖3 所示可以看到，隨著光強(qiáng)的增加，信號(hào)幅值A(chǔ)會(huì)隨之增大，并趨于飽和，而信號(hào)線寬ΔB在隨泵浦光增大而快速增大到25 nT 左右后的很大范圍內(nèi)是和泵浦光強(qiáng)無關(guān)的。這種信號(hào)特征說明很大范圍內(nèi)，光強(qiáng)的改變對(duì)信號(hào)輸出不造成影響，即信號(hào)對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)不敏感，這一點(diǎn)對(duì)開發(fā)實(shí)用儀器尤為重要。

圖3 光強(qiáng)與信號(hào)幅值、線寬關(guān)系圖Fig.3 Relation between light intensity and signal amplitude and line width

3.2 最佳光強(qiáng)

如圖3 結(jié)果，銫-氦磁強(qiáng)計(jì)信號(hào)在很大范圍內(nèi)不會(huì)因?yàn)楣鈴?qiáng)的增大而減小，但這并不意味著光強(qiáng)越大越好。因?yàn)榧す獾纳⒘Ｔ肼曇矔?huì)隨著光強(qiáng)的增大而增大。磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度δB定義［13］為：

式中：ΔB——信號(hào)線寬；A——信號(hào)幅值；N——噪聲水平。

在130 Hz 處測(cè)量了帶寬為1 Hz 的激光噪聲水平與光強(qiáng)的關(guān)系，如圖4 所示。其中十字黑線為靈敏度，空心圓線為信號(hào)斜率，空心三角線為噪聲水平。內(nèi)嵌圖中綠色曲線，噪聲水平和光強(qiáng)基本成線性關(guān)系。

圖4 靈敏度與信號(hào)斜率、噪聲、光強(qiáng)的關(guān)系圖Fig.4 Relation between sensitivity and slope，noise and light intensity

從圖4 內(nèi)嵌圖中的空心圓線可以看出，雖然隨著光強(qiáng)增大，磁強(qiáng)計(jì)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換因子S也增大，但光強(qiáng)超過1 mW／cm2后，S的增速減慢并逐漸收斂到一個(gè)最大值。但是光強(qiáng)的噪聲卻隨光強(qiáng)的增加而線性增加。因此有一個(gè)最佳的光強(qiáng)，使信噪比達(dá)到最佳值。在目前的試驗(yàn)系統(tǒng)中，該光強(qiáng)為0.7 mW／cm2。

3.3 噪聲分析

根據(jù)圖4 可知系統(tǒng)最大的噪聲來源為激光的功率漲落。為降低光源的噪聲，設(shè)計(jì)了一套激光穩(wěn)定模塊，在泵浦光即將射入銫-氦氣室之前，1 ∶1 的分出一部分泵浦光進(jìn)行光強(qiáng)波動(dòng)的監(jiān)測(cè)，再加入一個(gè)聲光調(diào)制器（AOM）通過調(diào)幅來抑制光強(qiáng)的波動(dòng)。

首先，測(cè)量了DC～200 Hz 頻段光強(qiáng)的噪聲功率密度譜（PSD），如圖5 所示。其中紅色虛線為光強(qiáng)的自由波動(dòng)噪聲，經(jīng)過閉環(huán)鎖定后，變?yōu)榧t色實(shí)線的噪聲。黑色虛線和實(shí)線分別為真正射入原子氣室的工作泵浦光開環(huán)和閉環(huán)的噪聲功率密度譜。從圖中可以看出，加入閉環(huán)后，工作光在（50～200）Hz 范圍內(nèi)降低了2 個(gè)數(shù)量級(jí)的噪聲。在（10～50）Hz 范圍內(nèi)降低了至少1 個(gè)數(shù)量級(jí)的噪聲水平。信號(hào)噪聲是疊加了所有噪聲來源后的總噪聲。從測(cè)量結(jié)果可以看出，光電探測(cè)器的噪聲（藍(lán)線）和信號(hào)采集電路的噪聲（綠線）存在較大的50 Hz，100 Hz，150 Hz的工頻噪聲。光電探測(cè)器和信號(hào)采集電路總的本底噪聲比閉環(huán)后的光強(qiáng)噪聲小1 個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5 激光噪聲的功率密度譜圖Fig.5 The power spectral density（PSD）of laser's noise

由于銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的響應(yīng)速度較慢，將磁信號(hào)的時(shí)域噪聲峰峰值進(jìn)行對(duì)比。如圖6 所示，對(duì)比了在進(jìn)行激光降噪和不進(jìn)行激光降噪時(shí)磁信號(hào)噪聲峰峰值的區(qū)別。可以明顯看出，開啟降噪后，噪聲峰峰值降低到了0.02 nT 以內(nèi)，不進(jìn)行光學(xué)降噪時(shí)，銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的噪聲達(dá)到了約0.3 nT 的峰峰值。

圖6 抑制激光噪聲前后磁場(chǎng)時(shí)域信號(hào)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of magnetic field time domain signals before and after laser noise suppression

這里需要值得注意的是，圖6 的時(shí)域噪聲是在地磁環(huán)境下，施加光強(qiáng)主動(dòng)降噪后測(cè)得，而圖4 的噪聲估計(jì)值是在磁屏蔽筒中利用自由空間光測(cè)得。雖然磁屏蔽筒可以屏蔽高頻磁場(chǎng)波動(dòng)，但是低頻磁場(chǎng)的波動(dòng)難以較好抑制，同時(shí)，在磁屏蔽筒中產(chǎn)生待測(cè)磁場(chǎng)B0時(shí)，會(huì)引入電流源的噪聲，磁場(chǎng)噪聲峰峰值約為0.1 nT。而圖6 的B0是通過中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的3 m 線圈系統(tǒng)利用自激光泵磁強(qiáng)計(jì)穩(wěn)場(chǎng)得到，其磁場(chǎng)的穩(wěn)定性由磁強(qiáng)計(jì)的本底噪聲決定，磁場(chǎng)噪聲峰峰值達(dá)到了0.003 nT。因此圖6 得到的噪聲優(yōu)于圖4 的噪聲水平。

通過減小背景磁場(chǎng)的波動(dòng)、提高激光輸出功率的穩(wěn)定性，激光泵浦式的銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)靈敏度超越了傳統(tǒng)放電燈5 倍以上，目前分辨率達(dá)到了0.02 nT，為進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確度提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

搭建的激光泵浦式銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)，相比傳統(tǒng)燈泵式銫-氦磁強(qiáng)計(jì)，磁共振信號(hào)的靈敏度提高了5 倍。通過對(duì)各種試驗(yàn)要素的噪聲的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)光源的功率漲落是噪聲的主導(dǎo)因素，并給出了可以達(dá)到最佳信噪比的光強(qiáng)值。對(duì)銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的極限噪聲進(jìn)行分析，結(jié)果表明優(yōu)化光源的穩(wěn)定性可以將銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)的分辨率提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。鑒于目前銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度主要受限于其靈敏度［14］，所研制的激光泵浦式銫-氦磁強(qiáng)計(jì)有很大潛力進(jìn)一步提升磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度。將銫-氦磁強(qiáng)計(jì)替代質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器，有望將恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度（k＝2）由目前的（0.3～0.6）nT提升到（0.03～0.05）nT 甚至更優(yōu)。