基于磁場(chǎng)調(diào)制的原子磁強(qiáng)計(jì)單光束檢測(cè)翟慧慧

關(guān)鍵詞：原子磁強(qiáng)計(jì)；磁場(chǎng)調(diào)制；單光束；弱磁檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM 936 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

全光法原子磁強(qiáng)計(jì)是通過光泵浦對(duì)堿金屬原子進(jìn)行極化，然后通過檢測(cè)探測(cè)光的旋轉(zhuǎn)角度或原子氣室中透射光的強(qiáng)度來獲得外界磁場(chǎng)大小的光學(xué)儀器[1]。全光法原子磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為新一代超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)[2]。無自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF）原子磁場(chǎng)測(cè)量裝置基于SERF理論，實(shí)現(xiàn)了迄今低頻范圍內(nèi)磁場(chǎng)測(cè)量的最高靈敏度[3-4]。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)不需要進(jìn)行低溫冷卻，成本低于超導(dǎo)量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID）。在過去幾十年中，SQUID一直是超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量的主流技術(shù)，但隨著SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的出現(xiàn)，它逐漸被取代。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)具有小型化和靈活配置兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)[5]。超高靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量在物理學(xué)、古地磁學(xué)、腦磁檢測(cè)以及國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)等方面都具有重要意義，并且對(duì)物理科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等方面也有重要貢獻(xiàn)[6-9]。

通過消除堿金屬原子自旋碰撞引起的弛豫現(xiàn)象，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)獲得了極高的靈敏度[10]。1973年，哥倫比亞大學(xué)的Happer等[11]首次觀察到了SERF現(xiàn)象，即在自旋交換速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，自旋交換弛豫現(xiàn)象會(huì)被抑制。隨后，Dang等[3]以0.45cm³的測(cè)量體積實(shí)現(xiàn)了0.16fT/Hz^1/2的磁場(chǎng)靈敏度，其超過了SQUID的靈敏度。通常，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)用一束圓偏振光作為泵浦光，這束光與堿金屬原子的D1線共振。泵浦光將氣室中的堿金屬原子從基態(tài)泵浦到激發(fā)態(tài)。經(jīng)過自發(fā)輻射，激發(fā)態(tài)的堿金屬原子會(huì)降到次能級(jí)上[12]。堿金屬原子在極化后，次能級(jí)上的所有光子都會(huì)沿著光束傳播方向產(chǎn)生相同的自旋投影。為泵浦光添加一束垂直的線偏振光作為檢測(cè)光，當(dāng)光束經(jīng)過堿金屬原子氣室時(shí)，光束的偏振面偏轉(zhuǎn)的角度與原子的自旋在傳播方向上的投影成正比。可以通過測(cè)量偏轉(zhuǎn)角大小推算出拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，從而獲得外部磁場(chǎng)的信息[8，13]。但這種方法不利于原子磁強(qiáng)計(jì)的小型化發(fā)展[14]。單光束配置通常采用與堿金屬原子D1線共振的橢圓偏振光或圓偏振光來同時(shí)進(jìn)行泵浦和檢測(cè)[15]。

本文介紹了一種通過檢測(cè)堿金屬原子氣室透射光強(qiáng)來測(cè)量外界磁場(chǎng)的單束光原子磁強(qiáng)計(jì)，同時(shí)加入了磁場(chǎng)調(diào)制。堿金屬原子采用的是銣原子，在進(jìn)行磁補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)加上50～100nT的磁場(chǎng)調(diào)制，對(duì)經(jīng)過堿金屬氣室后的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，最后對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行放大解調(diào)得到待測(cè)磁場(chǎng)信息。

1基本原理

1.1光泵浦

原子自旋極化強(qiáng)度越大，磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度越高，兩者成正比。堿金屬原子在熱平衡狀態(tài)下的極化度可通過玻爾茲曼分布來表示與堿金屬原子D1線共振的圓偏振光射入堿金屬原子氣室，堿金屬原子吸收光子后產(chǎn)生自旋極化。

1.2光探測(cè)

測(cè)量原理如圖1所示，激光器發(fā)出一束波長

由式（11），在施加調(diào)制的前提下，當(dāng)p為1時(shí)，電子自旋呈現(xiàn)色散曲線，在零磁場(chǎng)周圍，電子自旋極化與磁場(chǎng)大小呈線性關(guān)系[17]。待測(cè)磁場(chǎng)信息可以通過鎖相放大器對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)而得到。

2實(shí)驗(yàn)

單光束原子磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，定義入射光的方向標(biāo)為x軸方向。由激光器發(fā)出的激光首先需要通過兩個(gè)平凸透鏡進(jìn)行擴(kuò)束和聚焦處理以確保光線為平行光，然后經(jīng)過兩個(gè)反射鏡，調(diào)整光線的垂直和平行角度以及傳播方向使之能夠順利地穿過氣體室，同時(shí)也避免光回流損傷到激光器的情況發(fā)生。接著用一個(gè)非偏振分光棱鏡進(jìn)行分光：一束光進(jìn)入波長計(jì)中對(duì)激光波長實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以保證激光波長共振在銣原子的D1線；另一束光先通過格蘭泰勒棱鏡實(shí)現(xiàn)初始的線偏振狀態(tài)，再穿過一個(gè)半波片并經(jīng)由一個(gè)偏振分光棱鏡（半波片和偏振分光棱鏡構(gòu)成一個(gè)光強(qiáng)調(diào)節(jié)器以調(diào)整激光光強(qiáng)），然后利用一個(gè)λ=4波片將其轉(zhuǎn)換成圓偏振光，最后該圓偏振光進(jìn)入堿金屬氣室，對(duì)其中的堿金屬原子進(jìn)行極化。利用光電二極管對(duì)極化后的光束進(jìn)行光信號(hào)采集，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)放大。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)選用DFB半導(dǎo)體激光器，這種激光器發(fā)出的光束發(fā)散角小、相干性好、輸出功率密度大。光束中心波長為795nm，最大工作電流133mA，閾值為30mA，在133mA時(shí)最大輸出功率為77mW。在激光器工作溫度T=23.4℃時(shí)，使用索雷博功率計(jì)PM100D+S130C測(cè)得的工作電流對(duì)應(yīng)輸出功率如圖4所示。

將激光器電流I設(shè)置為60mA，堿金屬原子氣室被分別加熱到110℃、120℃、130℃，激光器溫度從15.4℃調(diào)節(jié)到31.4℃。光束經(jīng)過堿金屬原子氣室后，激光功率變化如圖5所示：不同原子氣室溫度時(shí)激光功率變化整體趨勢(shì)相同；在激光器保持溫度不變時(shí)，原子氣室溫度升高，光功率降低；當(dāng)激光器溫度在22.0～24.9℃時(shí)，光功率大幅下降，隨后溫度進(jìn)一步升高其又大幅上升，但始終回不到原有水平。

原子氣室被加熱到一定溫度可以很好地保證堿金屬原子的密度，從而更好地實(shí)現(xiàn)SERF態(tài)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將激光器電流設(shè)置為60mA，溫度設(shè)置為16.5℃以獲得足夠大的光功率，由此實(shí)現(xiàn)堿金屬原子的光泵浦。原子氣室在一定的溫度范圍內(nèi)，外界磁場(chǎng)的變化會(huì)改變?cè)訉?duì)光的吸收程度，引起透射光強(qiáng)的變化。當(dāng)外界磁場(chǎng)在零場(chǎng)附近時(shí)，透射光強(qiáng)達(dá)到最大。

施加調(diào)制磁場(chǎng)后，堿金屬原子曲線由吸收型變?yōu)樯⑿停鐖D6所示。在零磁場(chǎng)的情況下，透射光強(qiáng)與周圍磁場(chǎng)的變化形成的線性變化區(qū)域被稱作線寬。原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度可以通過原子氣室線寬來衡量。

在z軸方向施加一個(gè)周期性變化的正弦波形式的掃描磁場(chǎng)，用來獲取原子磁強(qiáng)計(jì)吸收曲線，并分析其與透射光強(qiáng)和外界磁場(chǎng)變化三者之間的關(guān)系。對(duì)5個(gè)銣原子氣室的線寬進(jìn)行相同透射光強(qiáng)的測(cè)試，選擇了線寬最小的氣室進(jìn)行最終的實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，在5個(gè)銣原子氣室中，球形的銣原子氣室（即氣室1）在z軸方向的線寬最小，為18.93nT。

實(shí)驗(yàn)中堿原子氣室采用直徑為20mm的球形銣原子氣室，在三軸線圈上施加調(diào)制磁場(chǎng)。調(diào)制指數(shù)m可以用來表示磁強(qiáng)計(jì)受到調(diào)制頻率和調(diào)制幅值影響的程度

鎖相放大器的輸出為磁強(qiáng)計(jì)的真實(shí)響應(yīng)，調(diào)制幅值優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。為了使磁強(qiáng)計(jì)靈敏度最佳化，在實(shí)驗(yàn)中將調(diào)制頻率設(shè)定為1.1Hz，調(diào)制幅值范圍設(shè)定在50～100nT，并通過優(yōu)化調(diào)制幅值來確定最佳調(diào)制指數(shù)。

在將調(diào)制幅值從52nT增加至72nT，靈敏度沒有明顯的提高；當(dāng)調(diào)制幅值為82nT時(shí)，最高靈敏度達(dá)到175.4fT/Hz^1/2，調(diào)制指數(shù)為0.887。原子磁強(qiáng)計(jì)的響應(yīng)和噪聲水平?jīng)Q定了原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度。原子磁強(qiáng)計(jì)的響應(yīng)隨著調(diào)制幅值的增加而提高，同時(shí)放大了磁噪聲，最終導(dǎo)致原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度沒有太大變化。

3結(jié)論

本文提出一種基于磁場(chǎng)調(diào)制的單光束原子磁強(qiáng)計(jì)。該磁強(qiáng)計(jì)通過檢測(cè)堿金屬原子氣室的透射光強(qiáng)來獲得相應(yīng)的外界磁場(chǎng)的大小。采用波長為795nm的近紅外光對(duì)銣原子進(jìn)行泵浦，在進(jìn)行激光器的調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在不同氣室溫度下光功率隨激光器溫度變化形勢(shì)大致相同，但在不同激光器溫度下光功率變化相差較大，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要選取合適的激光器溫度。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將激光器電流設(shè)置為60mA，溫度設(shè)置為16.5℃。在調(diào)制頻率為1.1kHz，調(diào)制幅值為82nT，即調(diào)制指數(shù)為0.887時(shí)，系統(tǒng)靈敏度最高達(dá)到175.4fT/Hz^1/2。這種基于磁場(chǎng)調(diào)制的單光束原子磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，更有利于磁強(qiáng)計(jì)的小型化、微型化和實(shí)用集成化，在微弱磁場(chǎng)、生物磁場(chǎng)測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值。