無盲區銫光泵磁力儀研究

郭立新　王羚

摘 要： 本文設計了一種銫光泵磁力儀探頭，這種探頭采用單光源和4個原子吸收室的設計，可以克服Mz結構、Mx結構以及Bell-bloom結構等類型光泵磁力儀所固有的盲區特性。當光泵磁力儀探頭與磁場之間的夾角在一定范圍時，磁力儀獲取不到信號，產生盲區，本探頭結構對任意方向的磁場均能正常工作，且采用單光源與凹面鏡的設計，具有結構簡單、體積較小的技術特點。

關鍵詞： 盲區;光泵磁力儀;Cs原子

0 引言

光泵原子磁力儀是通過測量原子磁矩在靜磁場中的拉莫爾進動頻率來測量靜磁場的一種磁場標量測量儀器[1]。共振光源用于極化原子使原子自旋取向產生宏觀磁矩，然后，通過檢測原子氣體對共振光吸收系數來檢測磁矩進動效應。

堿金屬或氦原子能級在弱磁場中產生塞曼分裂，能級分裂大小與磁場大小成正比。在熱平衡條件下，各塞曼子能級遵從波爾茲曼分布，各能級接近均勻分布。在光泵浦作用下，特定偏振狀態的光被工作原子吸收，原子對光的吸收在滿足能量守恒的同時還受到選擇定則的約束，原子熱平衡狀態在光泵浦作用下被打破而產生一定的自旋取向，在光傳播方向上形成宏觀磁矩。宏觀磁矩使原子在磁場中受到力矩作用，其圍繞磁場作拉莫爾進動，進動頻率與磁場成正比，可表示為ω=γB，γ為旋磁比。利用射頻線圈產生的射頻頻率與拉莫爾頻率產生共振的方法，或者利用對激光波長、強度或偏振態的調制頻率與拉莫爾頻率產生共振的方法，通過信號檢測系統獲取拉莫爾頻率，根據其與磁場的正比例關系，得到磁場大小[2-3]。

以磁場方向為z方向，磁場與光傳播方向的夾角用θ表示，信號大小與θ角相關。對于Mz結構光泵原子磁力儀，信號大小與cos2θ成正比，當θ=0o、180o時，信號最大，而當θ=90o、270o時，信號為0，產生盲區。對于Mx結構光泵原子磁力儀，信號大小與sinθcosθ成正比，當θ=45o、135o、225o、315o時，信號最大，而當θ=0o、90o、180o、270o時，信號為0，產生盲區。對于Bell-bloom結構光泵原子磁力儀，信號大小與sin2θ成正比，當θ=90o、270o時，信號最大，而當θ=0o、180o時，信號為0，產生盲區[4-5]。

在實際應用中，由于待測磁場未知，當磁場與儀器間的角度處于或接近盲區時，導致信號很小甚至沒有信號，需要不斷調節儀器方位。本文設計了一種單光源四吸收室結構的銫原子光泵探頭，該結構對任意方向的磁場均能正常工作，且采用單光源與凹面鏡的設計，結構簡單。

1 工作原理

在沒有光泵浦作用時，133Cs原子基態Fg=3和Fg=4上的粒子數均勻分布，沒有極化效果（如圖1所示）。當有一束頻率為D1線Fg=3→Fe=4的左旋圓偏振光與銫原子作用時，根據躍遷選擇定則，對于左旋圓偏振光只有滿足ΔmF=+1的兩個塞曼子能級間可以產生躍遷，因此基態Fg=3的粒子數會被泵浦至激發態Fe=4上磁量子數高的能級上。由于激發態不穩定，粒子會通過自發輻射回落到基態Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能級上。回落到基態Fg=3上的粒子會由于光泵浦作用繼續被泵浦至磁量子數高的能級上。最終Fg=3上的粒子數會被抽空，全被泵浦至Fg=4線上，并且在|Fg=4，mF=4>塞曼子能級上的粒子數最多。從而使Fg=4態上的粒子數分布不均勻，實現原子自旋的極化。而在右旋圓偏振光作用下，極化過程相反。

2 系統設計

如圖2、3所示，本文設計的光泵原子磁力儀探頭，包括凹面9、原子光譜燈3、光電探測器1以及四個單元;光電探測器1和原子光譜燈3均位于凹面鏡9的主軸上，兩者與凹面鏡9的距離分別為v、u，u

每個單元從原子光譜燈3方向到光電探測器1的方向依次包括共軸布置的凹透鏡8、偏振片7、1/4波片6、原子吸收室5以及凸透鏡4;由于遮擋，從原子光譜燈3發出的光線不能直接被光電探測器1接受，而是經過凹面鏡9反射后經過單元后被光電探測器1檢測，原子光譜燈3與光電探測器1需滿足凹面鏡成像條件1/u+1/v=2/R，因此，光電探測器1可在像點處進行探測。從凹面鏡9反射入各單元的光線會聚于光電探測器1，為了使光線在進入吸收室5之前變為平行光，凹透鏡8滿足條件S2=f2其中，S2為凹透鏡8與光電探測器1之間的距離，f2為凹透鏡8的焦距），平行光束經過偏振片7與1/4波片6變為特定圓偏振光，這種圓偏振光使原子吸收室5中的原子極化，產生宏觀磁矩，宏觀磁矩繞外磁場作拉莫爾進動（進動頻率與磁場大小成正比），采用射頻場或者對入射光進行調制等與原子氣體產生共振的方法，通過光電探測器1的檢測即可以獲取拉莫爾進動頻率和磁場大小信號。為了使經過原子吸收室5后的光線被光電探測器1有效檢測，凸透鏡4滿足條件S1=f1，其中，S1為凸透鏡4與光電探測器1的距離，f1為凸透鏡4的焦距。分別為第一、二、三、四單元光路主軸線，其與凹面鏡9成像主軸的夾角均為θ=20°。在這種情況下，如果外界磁場與O1間的夾角（如Mx結構，夾角在0o附近）形成盲區，第一單元不能產生有效信號，但在其他單元可以產生有效信號，因而能夠消除測試盲區，實現對各個方向上磁場的測量。

3 結束語

本文設計了一種單光源和四個原子吸收室結構的探頭，單一光源經凹面鏡反射成像與4個原子吸收室相互作用，經過4個吸收室的光線會聚于同一光電探測器上，凸透鏡、原子吸收室、1/4波片、偏振片和凹透鏡的主軸方向與凹面鏡的主軸方向的夾角θ=200，凹透鏡離光電探測器的距離S2與凹透鏡的焦距f2滿足S2=f2，凸透鏡離光電探測器的距離S1與凸透鏡的焦距f1滿足S1=f1，這種結構能克服光泵磁力儀的盲區特性。

參考文獻

[1] Happer W. Optical Pumping[J]. Rev. Mod. Phy， 1972. 44（2）：169-249.

[2] Arnold L. Bloom. Principles of Operation of the Rubidium Vapor Magnetometer[J]. Applied Optics， 1962. 1（1）：61-68.

[3] William E. Bell， Arnold L. Bloom. Optically Driven Spin Precession[J]. Physical Review Letters， 1961. 6（6）：280-281.

[4] S. Groeger， G. Bison， A. Weis. Design and Performance of Laser-Pumped Cs-Magnetometers for the Planned UCN EDM Experiment at PSI[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology， 2005. 110（3）：179-183.

[5] 張軍海，向康，梅紅松，等. 全光高靈敏度Bell-Bloom磁力儀的實現和優化[J]. 光電子. 激光， 2015. 26（2）：211-216.