泵浦光光強(qiáng)對磁力儀靈敏度的影響分析

于曉東

摘 要： 本文設(shè)計(jì)了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案，搭建了銫原子磁力儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以磁力儀色散曲線的峰值和線寬之比作為特征值，分析了泵浦光光強(qiáng)對磁力儀靈敏度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泵浦光強(qiáng)在（0.50.7）mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

關(guān)鍵詞：銫原子磁力儀;靈敏度;影響分析

0 引言

高靈敏度原子磁力儀在生物醫(yī)學(xué)，資源探測，地震災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著對磁場探測精度越來越高的要求，磁力儀的性能也不斷的提高。從最常用的霍爾效應(yīng)磁力儀，磁通門磁力儀到超導(dǎo)量子干涉磁力儀（SQUID），磁力儀技術(shù)不斷的向前發(fā)展。其中，SQUID長期占據(jù)著磁力儀中最高靈敏度的位置。但這種磁力儀體積龐大，需要液氦制冷，裝備和維護(hù)費(fèi)用都非常昂貴，極大的限制了其應(yīng)用范圍。最近十幾年來，出現(xiàn)了基于原子自旋磁矩與磁場相互作用的原子磁力儀，其靈敏度已經(jīng)超越了SQUID[4-5]。由于原子磁力儀超高的靈敏度，且不需要苛刻的工作條件，自其一出現(xiàn)便受到了廣泛關(guān)注[6-8]。

目前靈敏度最高的原子磁力儀是工作于無自旋交換弛豫機(jī)制下的。為了消除自旋交換弛豫，需要將原子氣室加熱到很高的溫度（100 C），這時(shí)原子氣室對光的吸收很強(qiáng)。因此需要將檢測激光鎖定到遠(yuǎn)離原子共振線的頻率上，通常采用法布里珀羅腔（F-P Cavity）對激光進(jìn)行穩(wěn)頻。但F-P腔對溫度，振動等都非常敏感，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的困難。為了避免這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測方案的銫（Cesium，Cs）原子磁力儀，并分析了泵浦光強(qiáng)對磁力儀靈敏度的影響。這種原子磁力儀可以工作在40C的較低溫度下，激光頻率可以通過飽和吸收譜技術(shù)很容易的穩(wěn)定在原子的共振線上，并且仍然具有很高的靈敏度。

1 工作原理

原子磁力儀是通過測量原子自旋在外磁場中的拉莫進(jìn)動頻率來反映磁場大小的。銫原子磁力儀的基本原理如圖1所示。一束圓偏振泵浦光使原子沿著泵浦光方向極化，在外磁場的作用下，原子的自旋極化矢量將會繞磁場做拉莫進(jìn)動。在與泵浦光垂直的方向用一束線偏振檢測光來檢測極化矢量在檢測光方向的投影。極化的原子對線偏振光的左右旋分量的折射率不同，導(dǎo)致穿過原子氣室的線偏振光的偏振面會產(chǎn)生一個(gè)微小的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦光的調(diào)制頻率與拉莫進(jìn)動頻率共振時(shí)，檢測光的偏轉(zhuǎn)角最大。因此，通過判斷最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)對應(yīng)的調(diào)制頻率，即可測出外磁場大小[9-10]。為了達(dá)到高靈敏度的目標(biāo)，需要盡可能的達(dá)到高的極化程度和低的弛豫速率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

銫原子磁力儀的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，采用激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測光路。通過檢測原子氣室在外磁場作用下產(chǎn)生的圓二向色性來測量磁場大小。

泵浦激光器和檢測激光器均采用外腔半導(dǎo)體激光器，并通過飽和吸收譜光路進(jìn)行穩(wěn)頻。穩(wěn)頻后泵浦光工作在銫原子D1線上，檢測光工作在銫原子D2線上。泵浦光通過電光調(diào)制器（Electro-Optic Modulator，EOM）進(jìn)行幅度調(diào)制，以使激光調(diào)制頻率與拉莫進(jìn)動頻率共振。經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)后，泵浦光進(jìn)入銫原子加熱室。在進(jìn)入原子氣室之前，泵浦光經(jīng)過一個(gè)起偏棱鏡和一個(gè)/4波片變成圓偏振光，使銫原子自旋磁矩產(chǎn)生極化，泵浦光穿過原子氣室后被安裝在加熱室內(nèi)壁的黑體吸收，從而避免泵浦光返回氣室產(chǎn)生去極化。檢測激光經(jīng)過起偏棱鏡后變成線偏振光進(jìn)入到銫原子氣室，之后經(jīng)過由/4波片和Wollaston棱鏡構(gòu)成的圓二向色性檢測光路來檢測銫原子的自旋極化。為了提取經(jīng)過圓二向色性檢測光路后微小的偏轉(zhuǎn)角信號，采用了分光束檢測法和鎖相放大技術(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了在實(shí)驗(yàn)上分析泵浦光強(qiáng)對磁力儀靈敏度的影響，基于銫原子磁力儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對磁力儀的響應(yīng)曲線進(jìn)行了測試。測試條件為：泵浦光頻率Cs原子D1線Fg=3→Fe=4線，泵浦光強(qiáng)0.6 mW/cm2;檢測光頻率Cs原子D2線Fg=4→Fe=5線，檢測光強(qiáng)0.04 mW/cm2;氣室溫度40 oC。在此條件下，測量了磁場為100 nT下泵浦光調(diào)制時(shí)的磁力儀譜線，如圖3所示，從中可知譜線寬度約為30 Hz。

在噪聲不變的情況下，磁力儀的靈敏度與色散譜線中心的斜率成正比，斜率越大，靈敏度越高。因此，直觀的從磁力儀的色散譜線來看，磁力儀的靈敏度也可以近似表示為

式中，ΔB與Δf是磁力儀色散譜線的線寬，S是共振時(shí)的信號幅度，N是磁力儀單位帶寬內(nèi)的噪聲，S/N表示磁力儀單位帶寬內(nèi)的信噪比。

在不引入額外噪聲的前提下，公式（1）能方便快速的評價(jià)出磁力儀物理系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)對靈敏度的影響。因此，為了評價(jià)各參數(shù)對靈敏度的影響，基于公式（1）和磁力儀的色散譜線，給出磁力儀的優(yōu)值系數(shù)，作為磁力儀的特征值，表示如下

其中，A表示色散譜線的峰峰值，Δf是磁力儀色散譜線的線寬。A越大，Δf越小，則越大，表示磁力儀的靈敏度越高。

原子磁力儀的工作首先需要泵浦光使原子極化，然后通過檢測光來檢測極化大小。其中泵浦光帶來的作用不僅能使原子極化，也會導(dǎo)致弛豫速率增加，使磁力儀的線寬變寬。

為了了解激光光強(qiáng)變化對銫原子磁力儀的影響，并且找到最適合磁力儀工作的激光光強(qiáng)條件，在實(shí)驗(yàn)中分別對不同泵浦光光強(qiáng)下的磁力儀色散譜線進(jìn)行了研究。圖4所示是磁力儀色散譜線的峰峰值隨泵浦光強(qiáng)變化的關(guān)系。從中可以看出，隨著泵浦光強(qiáng)的增加，磁力儀信號幅值逐漸增加。在光強(qiáng)較小時(shí)，信號幅度增加迅速，當(dāng)光強(qiáng)大于1.1 mW/cm2時(shí)，信號幅度增加的非常緩慢，基本趨向飽和。從光泵浦的過程來看，由于光泵浦作用原子會不斷的往磁量子數(shù)高的能級轉(zhuǎn)移，形成極化效果。而各種弛豫效應(yīng)又會導(dǎo)致極化的原子重新分布，因此各塞曼子能級上不斷有原子持續(xù)吸收泵浦光。在一定的光強(qiáng)下，最終達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡狀態(tài)，原子表現(xiàn)出一定的極化效果。隨著泵浦光的增強(qiáng)，泵浦速率變大，極化效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，泵浦速率遠(yuǎn)大于弛豫速率，造成的結(jié)果是所有的原子被堆積到磁量子數(shù)高的能級，對于D1線Fg=3→Fe=4線泵浦而言，最終Fg=3上的原子都被泵浦到了Fe=4線上。而基態(tài)Fg=3上已經(jīng)沒有原子繼續(xù)吸收泵浦光，極化達(dá)到飽和狀態(tài)。

泵浦光還會導(dǎo)致磁力儀線寬的增加。圖5所示為色散譜線線寬隨泵浦光強(qiáng)的變化關(guān)系。從圖中可知，隨著泵浦光強(qiáng)的增加，線寬持續(xù)增加，整個(gè)過程呈現(xiàn)線性的變化關(guān)系。對圖中的數(shù)據(jù)做線性擬合，擬合結(jié)果為f =13.7Ipu+16.0。f 的單位為Hz，Ipu的單位為mW/cm2。這表明，泵浦光強(qiáng)每增加1 mW/cm2，磁力儀線寬會增加13.7 Hz。當(dāng)泵浦光強(qiáng)為0.62 mW/cm2時(shí)，由泵浦光引起的線寬約為8.5 Hz。為了綜合顯示出泵浦光強(qiáng)對磁力儀靈敏度的影響，將不同光強(qiáng)下磁力儀色散譜線的特征值繪于圖6中。由于磁力儀中泵浦光和檢測光是垂直結(jié)構(gòu)，泵浦光強(qiáng)的增加并不會帶來明顯的噪聲，因此圖6中值的大小也反映了不同泵浦光強(qiáng)下磁力儀的靈敏度。從圖中可知，當(dāng)泵浦光強(qiáng)在0.50.7 mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

4 結(jié)束語

本文研究了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案，避免了通常的射頻調(diào)制方案引入的磁共振線寬增寬，得到了線寬為30Hz的磁力儀響應(yīng)譜線。研究了不同泵浦光光強(qiáng)下的磁力儀響應(yīng)譜線的峰峰值和譜線線寬的變化，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著泵浦光光光強(qiáng)的增加，磁力儀響應(yīng)譜線的峰峰值開始會快速增加，隨后增加幅度會逐漸趨緩，而線寬則呈現(xiàn)線性增加趨勢。當(dāng)泵浦光強(qiáng)在（0.50.7）mW/cm2的范圍內(nèi)時(shí)，磁力儀的靈敏度最高。

參考文獻(xiàn)

[1] Xia H， Ben-Amar Baranga A， Hoffman D. Magnetoencephalography with an atomic magnetometer [J]. Applied Physics Letters， 2006， 89（21）： 211104

[2] 袁桂琴， 熊盛青， 孟慶敏， 等. 地球物理勘查技術(shù)與應(yīng)用研究 [J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2011， 85（11）： 1744-1805

[3] 陳運(yùn)泰. 地震預(yù)測—進(jìn)展， 困難與前景. 地震地磁觀測與研究 [J]. 2007， 28（2）： 1-24

[4] Kominis I K， Kornack T W， Allred J C， et al. A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer [J]. Nature， 2003， 422（6932）： 596-599

[5] Dang H B， Maloof A C， Romalis M V. Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer [J]. Applied Physics Letters， 2010， 97（15）： 151110

[6] Li Shuguang， Xu Yunfei， Wang Zhaoying， et al. Experimental investigation on a highly sensitive atomic magnetometer [J]. Chinese Physics Letters， 2009， 26（6）： 067805

[7] Liu Guobin， Du Runchang， Liu Chaoyang， et al. CPT magnetometer with atomic energy level modulation [J]. Chinese Physics Letters， 2008， 25（2）： 472-474

[8] Zhang Junhai， Liu Qiang， Zeng Xianjin， et al. All-Optical Cesium Atomic Magnetometer with High Sensitivity [J]. Chinese Physics Letters， 2012， 29（6）： 068501

[9] Budker D. Atomic physics： A new spin on magnetometry. Nature， 2003， 422（6932）： 574-575P

[10] Seltzer S J. Developments in alkali-mental atomic magnetometer. Doctoral Dissertation of Princeton university， 2008