一種新型的激光抽運原子磁力儀

楊世宇，繆培賢，廉吉慶，王劍祥，涂建輝，楊 煒，崔敬忠

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

【機械制造與檢測技術】

一種新型的激光抽運原子磁力儀

楊世宇，繆培賢，廉吉慶，王劍祥，涂建輝，楊 煒，崔敬忠

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

依據磁光旋轉原理研制了一種擁有自主知識產權的新型的激光抽運高靈敏度原子磁力儀。該原子磁力儀利用磁場中銣原子與光場的相互作用，極化銣原子在待測磁場中進行拉莫爾進動，利用銣原子磁光共振頻率與外磁場之間的關系，通過高靈敏度低噪聲弱磁檢測技術實現磁場的準確測量。測試結果表明，該磁力儀靈敏度為1 pT/Hz1/2；測試過程中磁場波動范圍小于0.4 nT。

原子磁力儀；磁光旋轉；靈敏度

激光抽運堿金屬原子弱磁檢測技術具有靈敏度高、能耗低、體積小等優勢和發展前景；在空間與地球物理、深空磁場探測、軍事反潛、生物醫學等方面都有著廣泛的應用前景，具有重要的研究價值[1-2]。目前使用的用于微弱磁場探測的高靈敏度磁力儀主要有超導量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)磁力儀和激光抽運原子磁力儀等。但是超導量子干涉磁力儀裝置復雜、對工作環境要求高、使用維護成本高。激光抽運堿金屬原子磁力儀技術具有靈敏度高、能耗低、體積小等優勢和發展前景[3-4]。美國、德國等發達國家已研制了高靈敏度的激光抽運型原子磁力儀，主要用于磁異反潛、空間磁場測量和磁力導航等軍用領域；對激光抽運堿金屬原子弱磁檢測技術及高靈敏度原子磁力儀限制出口，因此開展擁有自主知識產權的新型激光抽運堿金屬原子弱磁檢測技術研究具有重要價值。

1 高靈敏度銣原子磁力儀技術方案及原理

通過對磁場中原子與光場相互作用(磁光共振)的研究，使用測量光吸收的方案來實現弱磁場環境的測量，同位素銣原子磁力儀原理示意圖如圖1所示。激光抽運堿金屬原子弱磁檢測試驗系統主要由光源部分、磁傳感器部分和信號探測等部分組成。光源部分主要由激光器及其相關的控制儀器、波片等組成；磁傳感器部分主要由銣原子氣室、恒溫系統等部分組成；信號檢測部分由光電轉換器件、相關的放大電路、信號處理與顯示模塊等部分組成。

圖1 激光抽運銣原子磁力儀原理圖

銣原子磁力儀系統對抽運激光和探測激光分別獨立控制，經過穩頻的諧振窄線寬激光束對腔內原子氣體進行高度極化；由于原子能級分裂對弱磁場的敏感度很高，因此基于激光抽運堿金屬原子的弱磁探測技術具有相應高的靈敏度和準確性。用探測激光與處于待測對象產生的磁場中的原子氣體相互作用，獲得包含磁信息的調制光學信號，通過光電探測器和相應的差分放大電路得到含有磁場信息的電信號，經信號處理電路獲得了待測磁場的大小，實現磁場的準確測量[5-6]。

2 主要試驗結果

原子磁力儀試驗研究中，選用其中的一束共振的抽運光束與原子進行相互作用，并對原子自旋進行高度極化，極化后的原子體系呈現出高度的二向色性，此時使一束線偏振探測光透過該原子系統，探測光的偏振面會發生偏轉，在實驗室觀察到的非線性磁光旋轉的振蕩信號特點是周期性的，且振蕩周期與拉莫爾進動周期一致。極化的原子在待測磁場中進行拉莫爾進動，進動頻率B，其中為銣原子的旋磁比，B為待測磁場。高度極化的原子與探測激光發生相互作用，使得探測光的偏振面發生偏轉，并且偏轉程度與拉莫爾進動頻率f一致，通過測量探測光偏振面偏轉測量原子體系在磁場中進動頻率，最終得到準確的磁場大小[7-8]。圖2為試驗中激光抽運銣(Rb)原子的磁光共振信號。可以看出，經過優化的磁光共振信號振幅達到了0.15 V，銣原子弛豫時間達到了8 ms。

圖3為傅里葉函數擬合得到的待測磁場對應的銣原子拉莫爾進動頻率。在傅里葉函數擬合圖中幅度最高的峰對應的頻率就是被測磁場對應的拉莫爾頻率，據此可得當前磁場值，圖4顯示的是光電探測器檢測到得磁場信號，在圖4中該原子磁力儀系統準確實現了10 000 nT磁場附近的磁場探測。實驗中采集的磁場信號可以進行分析，得到對應的拉莫爾進動頻率和相應的磁場。實驗系統的磁場測量結果和電流引起的磁場變化規律一致，說明該系統能夠實現對磁場的準確測量。

圖2 激光抽運銣(Rb)原子的磁光共振信號

圖3 光電探測器檢測到得磁場信號

3 測試結果分析

圖4為通過數據分析軟件分析得到的噪聲功率譜圖，從噪聲功率譜上可以得到原子磁力儀靈敏度測試結果。由圖4可知，原子磁力儀系統在1 Hz頻率點的靈敏度約1 pT/Hz1/2，該測試結果較傳統測磁場的傳感器例如磁通門磁傳感器的靈敏度高1到2個量級。

圖4 通過數據分析軟件分析得到的噪聲功率譜圖

采用精密電流源對磁場線圈進行精密控制，將所研制的原子磁力儀系統置于穩定的磁場中進行測試，圖5是原子磁力儀磁場波動范圍測量結果，可以看出，原子磁力儀系統在30分鐘內的磁場波動范圍小于0.4 nT。

圖5 磁場波動范圍測量結果

將該原子磁力儀系統置于穩定的磁場中，經過2個小時的考核試驗，該系統可以實現400 nT到30 000 nT磁場的測量。

4 結論

依據磁場中原子與光場相互作用的原理，采用磁光共振技術，研制了一種銣原子磁力儀，該銣原子磁力儀系統堿金屬原子在外磁場中通過塞曼效應與激光抽運的綜合作用而極化，極化的原子在待測磁場中將進行拉莫爾進動，利用磁光共振頻率與外磁場之間的關系，通過高靈敏度低噪聲弱磁檢測技術實現磁場的準確測量。測試結果表明，該磁力儀系統的靈敏度達到了1 pT/Hz1/2，測試過程中磁場波動小于 0.4 nT。

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(責任編輯 唐定國)

New-Style Magnetometer Based on Laser Pumped Rubidium Atoms

YANG Shi-yu， MIAO Pei-xian， LIAN Ji-qin， WANG Jian-xiang， TU Jian-hui, YANG Wei， CUI Jing-zhong

(Lanzhou Space Technology Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

A magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation with intellectual property has been constructed and tested. In this magnetometer, the laser interacts with the rubidium atoms in the magnetic field, and the Larmor precession causes an ac rotation of the polarization of a separate probe beam; the polarization rotation frequency provides a measure of the magnetic field. Test results show that its sensitivity reaches 1 pT/Hz1/2, the magnetic field fluctuate is less than 0.4 nT in the test course.

atomic magnetometer；nonlinear magneto-optical rotation；sensitivity

2016-12-09；

2017-01-10 作者簡介：楊世宇(1979—)，男，博士，主要從事量子頻標技術研究。

10.11809/scbgxb2017.05.028

format:YANG Shi-yu，MIAO Pei-xian，LIAN Ji-qin，et al.New-Style Magnetometer Based on Laser Pumped Rubidium Atoms[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):123-125.

TM936.1

A

2096-2304(2017)05-0123-03

本文引用格式：楊世宇，繆培賢，廉吉慶，等.一種新型的激光抽運原子磁力儀[J].兵器裝備工程學報，2017(5):123-125.