用于海洋磁測的芯片量子干涉磁力儀

關麗娟

(中國海洋大學環境科學與工程學院，青島266100)

康智慧

(吉林大學物理學院，長春130021)

王增斌

(北京航天控制儀器研究所，北京100854)

海洋磁力儀是指測量海洋磁場強度的磁力儀，主要應用于海洋環境探測中的高精度磁測量.近年來，海洋地磁測量逐步向0.1～0.001 nT甚至更高精度拓展，其測試模式也在點、線測量模式基礎上，拓展了局部海域網格測量模式.海洋磁測的新需求向海洋磁力儀提出了數字化、模塊化、小型化和系統集成化等要求，研發高精度、小型化磁力儀具備重要的意義.

用于海洋磁測的傳統高靈敏度磁力儀主要包括磁通門磁力儀、質子旋進磁力儀、光泵磁力儀以及超導量子干涉磁力儀.

磁通門磁力儀通過在交變磁場飽和激勵下的高導磁鐵芯的磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場［1-5］.其探頭部分多由在高磁導率的磁芯上纏繞線圈制做而成，體積和重量較大，功耗較高，測量精度偏低，測量范圍較小［6］.

質子旋進磁力儀則利用質子自旋在外磁場中的進動效應來實現對外磁場測量，通過檢測自旋進動頻率的方法來完成磁場測量［7］.但其耗電量大，只能進行低帶寬間斷測量［8］.

光泵磁力儀是以外磁場對原子產生的塞曼效應為基礎，利用光泵浦作用和磁共振技術來實現對外磁場的測量［9］.光泵磁力儀具有較高的靈敏度和響應頻率，還可測量合磁場和磁場分量，并且可以進行連續測量［10-11］.但是光泵磁力儀探頭的體積較大，且測量結果存在漂移現象［12］.

超導量子干涉磁力儀是以超導約瑟夫森效應和磁通量的量子干涉效應為理論基礎，敏感外磁場引起的磁通并將其轉化為電壓的磁通傳感器［13］.超導量子干涉磁力儀具備當前磁力儀產品的最高精度，但其結構復雜、體積龐大，功耗較高以及必需的低溫制冷系統，使其應用受到嚴重限制.

上述磁力儀技術具備技術成熟、應用領域廣等特點，在海洋磁測、地質勘探、地磁圖繪制、地震測量等領域具有廣泛的應用.但是，對于諸多應用的未來發展需求，上述技術手段很難在提供高精度測量的同時實現微小型化.探索新手段來滿足多領域磁場測量需求具有重要意義.

與上述技術手段相比，利用雙光場量子干涉效應來測量磁場的量子干涉磁力儀，具有精度高、體積微小、功耗低、靈敏度高、結構簡單和性能穩定等特點，有望成為解決磁測量技術未來發展難題的有效手段，引起了國內外科研工作者的廣泛關注.

1 量子干涉磁力儀

1.1 簡述

量子干涉磁力儀利用極靈敏的雙光場干涉信號來敏感外磁場塞曼效應引起的能級劈裂，進而精確反演出外磁場的強度與方向.磁力儀以某種堿金屬原子為敏感介質，通過光泵浦手段，將原子高效地泵浦到所需原子基態能級上，并保持連續泵浦光的強度，構建成即所謂的量子干涉“暗態”之后，通過探測對另一束弱探測光的吸收情況，確定量子干涉效應吸收線的位移，確定基態能級的劈裂情況，反演出外加磁場的信息［14］.

量子干涉磁力儀利用了雙光場量子干涉效應，因此靈敏度極高，其理論精度可達pT～fT，與超導量子干涉磁力儀相比同樣具有超高測量精度的技術潛力.同時，基于雙光場量子干涉效應的磁力儀的敏感介質僅需mm甚至μm尺度，其光學系統均可采用集成光電器件實現，因此還具備微小型化技術優勢.

1.2 雙光場量子干涉效應

雙光場量子干涉效應是原子介質引起的光場相干現象，最早文獻［14］于1976年觀察到.雙光場量子干涉效應的系統主要由雙基態、單激發態原子和兩束近共振激光組成.當雙光場與三能級原子相互作用時，對應的兩個原子躍遷|1〉-|2〉，|1〉-|3〉之間將產生量子干涉效應.當兩個激光場的頻率差與原子基態能級的劈裂間距相同時，這兩個躍遷的發生的復幾率完全抵消，原子將以特定復概率分布在原子|2〉，|3〉兩個基態上，即便有兩束激光場存在，原子也不會被泵浦到激發態|1〉上，此態成為量子干涉“暗態”.如果整個過程為絕熱過程，則原子沒有自發輻射，此效應可引發基態原子的相干分布，稱為相干粒子數捕獲.此時若觀察第2束弱激光，則能夠觀察到完全透明現象，因此該效應也被稱為電磁感應光透明效應.量子干涉效應是導致相干粒子數捕獲、電磁感應光透明效應的物理機制.

圖1為典型的Λ型三能級量子干涉系統模型［15-16］.

其物理過程可由下面理論簡單描述.

相干激光場ω1和ω2分別對應系統所含的兩個原子躍遷通道|1〉-|2〉，|1〉-|3〉.其相干演化波函數可表達為

圖1 Λ型三能級系統雙光場量子干涉效應示意圖

其中，ci(i=1，2，3)即原子在圖1上所示|i〉能級上的幾率振幅.因c1為激發態原子存在的幾率，將引發自發輻射，影響信號的檢測精度，因此本文試圖尋找c1(t)=0的態，即所謂量子干涉“暗態”.

將式(1)代入薛定諤方程，可得其演化方程為

其中，Ω1與Ω2分別為相干場ω1和ω2的拉比頻率，Ω1= μ1E1/h-，Ω2=μ2E2/h-，μ1，μ2為原子躍遷偶極距，E1，E2為光功率，h-=普朗克常數/2π.設定雙光場滿足雙光子共振條件:ω1-ω12=ω2-ω13=δ.引入常量 θ，令 tan θ= Ω1/Ω2.由此可定義兩個新的參數:

將式(5)和式(6)代入式(2)～式(4)，可以得到這兩個新的疊加態振幅的運動方程:

其中，廣義拉比頻率Ω=(Ω21+Ω22)1/2.

分析式(7)可知，在雙光場吸收近似為0并且滿足絕熱近似緩變條件，量子干涉過程存在解{c1(t)=0，c2(t)=- Ω2/Ω，c3(t)= Ω1/Ω}，使得原子不在激發態上布居，此時量子干涉效應抑制了整個系統的自發馳豫過程，使得信號光完全透明穿過.在不滿足上述雙光子量子干涉條件時，該態不存在，因此會對信號光引入極大的吸收.因此，改變信號光頻率進行掃描，將在信號光的吸收譜上形成一個尖銳的透明峰.該峰的中心位置標志著量子干涉效應完全消失對應的頻率，稱為干涉共振信號峰.

1.3 量子干涉效應測磁的原理

基于量子干涉效應進行磁場測量的原理如下:當磁場為0時，基態和激發態的能級都是簡并的，只存在一個干涉共振信號峰，當存在一個與光傳播方向平行的外磁場時，不同磁量子數mF的塞曼子能級將產生寬度不同的劈裂，此時構成3個三能級Λ系統(如圖2b所示)［15-16］.此時的躍遷會構成3個三能級Λ型雙光場量子干涉系統Λ1，Λ2，Λ3(每兩個躍遷通道構成一個 Λ 型系統).

圖2 87Rb原子D1線能級示意圖

由文獻［15-16］可知，3個共振信號之間的頻率差Δ=|γ|B，γ為旋磁比，B為待測外磁場強度，即共振信號間的頻率差正比于磁場強度.因此可以通過檢測到的頻率差，計算出B.以上即為量子干涉磁力儀的理論基礎.文獻［15-16］給出了其原理樣機的研制情況以及測試結果.

2 芯片量子干涉磁力儀設計

基于上述量子干涉磁力儀的工作原理，以小型化集成物理系統為核心，配合外部精密控制電路，對電流、工作頻率和溫度等參數進行反饋控制.產品采用芯片集成化封裝，設計響應快、能耗低、體積小、精度高，有望滿足海洋磁測技術的未來發展需求.

2.1 系統構成

量子干涉磁力儀的物理系統是以芯片上集成的激光發射系統和原子蒸汽反應腔作為核心部分.圖3為磁力儀的系統示意圖.首先，通過控制電流將激光器波長穩定在794.976 nm，然后使用3.417 GHz頻率的調制信號使激光器產生頻率間隔為3.417 GHz的多色光.產生的激光信號經過偏振片和波片進入原子蒸汽反應腔，波片將偏振光轉換成圓偏振光.激光經過原子蒸汽反應腔之后，產生振蕩信號，其頻率等于微波信號源的信號頻率與原子基態兩個超精細結構能級躍遷頻率的差值.振蕩信號經過光電檢測器轉化為電信號，進入控制電路系統.磁場測量所需要的信息，也通過光電檢測器轉化為電信號，進入計算機.

圖3 量子干涉磁力儀物理系統結構示意圖

2.2 核心系統設計

芯片量子干涉磁力儀的物理系統使用高帶寬、垂直腔表面發射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Lase).

VCSEL的優勢在于其發光區域較傳統的半導體激光器要小，擁有響應快、能耗低的特性，十分有利于系統小型化.

本文采用一個恒溫加熱系統使樣品池保持在工作溫度.通過改變電壓來控制溫度，圖4為加熱芯和溫度傳感器的結構圖.固定晶體裝置使用銅材料制作，以避免引入附加磁場.工作溫度必須穩定在50～70℃范圍內，才可以使穩頻信號峰的幅度達到最高值.當溫度過低時，銣原子為固態，幾乎都貼附在樣品池壁上，此時只有極少的原子與激光產生相互作用，量子干涉相消現象將無法產生.當溫度過高時，樣品池對激光的吸收過于強烈，導致量子干涉共振信號過于微弱，難以觀測.

圖4 加熱芯和溫度傳感器結構圖

將適量的氖氣作為緩沖氣體充入Rb蒸汽腔內，原子與緩沖氣體之間的碰撞可以有效地減慢銣原子的運動速度，從而延長原子與光場發生相互作用的時間，明顯增加暗態壽命，并且原子與氖氣的碰撞對原子的量子態影響很小.但原子與緩沖氣體之間的碰撞也會使共振峰的線寬加寬，減小磁力儀分辨率，因此緩沖氣體壓強不宜過大.通過多種對比實驗，找到最適合的緩沖氣體壓強.

控制電路系統主要是產生微波調制信號，對VCSEL進行控制，并對光電檢測器的輸出信號進行處理.對VCSEL的控制包括溫度控制，電流控制和頻率穩定控制.溫控電路主要通過數模和模數的轉換，數值比較和反饋來控制高精度溫度傳感器和半導體熱電制冷溫度調節器.電流控制電路提供恒定的電流值，穩定激光器的輸出波長.微處理器通過電流控制電路提供精確的驅動電流鎖定激光管的輸出頻率.微處理器通過控制VCSEL的直流電流部分，實現激光器的頻率掃描，多色光的產生則是通過對VCSEL的輸出光加以3.4 GHz頻率的調制實現的.由激光器發出的光束根據激發原子躍遷的不同，產生偏移方向相反頻移量相同的右旋圓偏振光σ+和左旋圓偏振光σ-，進而得到兩路不同的差分信號.探測光中的σ+與σ-偏振分量通過反應腔和λ/4波片，由線偏光變為圓偏光，光電探測器經過減法器將這兩個信號相減得到類色散曲線，再經過比例積分微分放大電路將誤差信號加載到激光電流上，負反饋回路再加入反向偏置，就可使類色散曲線始終過零點，激光輸出頻率就可以鎖定在原子的精細譜線上，從而達到對激光器穩頻控制的目的.整個微控制電路的工作過程是:在調制信號源外加了一個信號發生器，給所加的高頻微波信號進行掃場，并通過其產生的三角波來觸發調制信號源，從而使其輸出以ω(3.417 GHz)為中心頻率的掃描范圍可調的掃場信號.光電檢測器的輸出電信號經過放大器之后，其中一路進入激光器驅動電流源作為穩頻反饋控制信號;另一路進入信號轉換器，轉化成與量子干涉失諧瞬態振蕩信號頻率一致的正弦波信號，用于頻率反饋，以控制輸入信號頻率.由于物理反應腔和激光器均有加熱和溫控裝置，所以置入溫控反饋電路單元進行分別控制.

以上即為量子干涉磁力儀核心系統中的穩頻、溫控和微波調制設計原理.

3 量子干涉磁力儀在海洋中的應用

由上述原理研制成的量子干涉磁力儀可以應用于沿海地球物理勘探、考古學、失事船探測、港口的磁繪，湖泊、河流、港灣中鐵質目標的探測.

在海洋環境探測領域的磁力儀可分為艦載、機載以及星載3種載荷方式.其中艦載磁力儀的傳感器部分元件通常由電纜連接，被拖拽在水面以下，設計成流線型形狀.進一步，將兩個探頭連接在一起可以構成地磁梯度儀，如圖5所示為艦載并聯式和串聯式梯度儀示結構意圖.

圖5 艦載磁力梯度儀結構示意圖

多探頭串、并聯的組合方式，可以對目標磁場梯度進行3軸方向的精確實時測量.用于港口、航道、錨地等對泥下障礙物、管道探測及海纜路由調查、重要工程水域磁場測量等海洋工程開發.

4 結束語

本論文根據光與原子在磁場中相互作用的基本原理，對雙光場量子干涉測磁的基本過程進行了理論解釋.以此為原理設計了量子干涉磁力儀，分析了這種磁力儀在弱磁場測量領域中的特點和優勢.重點介紹了磁力儀的系統構成和核心部分設計，并進一步介紹了量子干涉磁力儀在海洋磁測領域的應用前景.

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