基于雙吸收室的自激式Cs原子激光光泵磁力儀

郭立新　王羚

摘 要：設計了一種基于雙吸收室的自激式Cs原子激光光泵磁力儀系統，通過兩個對稱的自激式激光光泵磁力儀中的原子吸收室相互抵消相移，使自激式激光光泵磁力儀系統在不存在±90°移相電路的情況下，也能滿足θ=0°的相位條件，從而使整個自激式光泵磁力儀系統的電路結構大大簡化，還能使自激式光泵磁力儀系統的共振譜線更加對稱，能極大降低由原子能級共振譜線不對稱而引起的轉向差。

關鍵詞：光泵磁力儀;自激式;拉莫爾頻率;雙吸收室

0? 引言

光泵原子磁力儀（OPM）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。光泵原子磁力儀的早期研究可以追溯到上世紀六十年代[2，3]，當時主要采用原子光譜燈作為泵浦光源。近年來，隨著微加工工藝和小型半導體激光器研究的進展，采用激光作為泵浦光源的光泵原子磁力儀又成為研究熱點[4-6]。

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堿金屬原子或氦原子吸收，堿金屬原子或氦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[7-8]。宏觀磁矩使堿金屬原子或氦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。

Mx結構自激式的光泵磁力儀是使拉莫爾大小的頻率信號在系統中產生正反饋振蕩，根據所測得的系統振蕩頻率值而得到磁場大小。自激式的光泵磁力儀具有響應速度快、結構簡單等特點，目前很多光泵磁力儀（如Cs-L、Cs-3等）均采用這種方法。為了使系統產生穩定的正反饋，需要使整個回路滿足相位θ=0°和放大倍數u=1的條件，通常采用的方法是設計包含90°移相電路和增益可調的放大電路[9]。然而，在實際應用中，由于Cs原子能級不對稱且隨磁場變化，加上激光與Cs原子相互作用引起的光頻移，當磁場與光泵磁力儀的相對方向發生變化時，所測得的磁場值會帶有轉向差;90°移相電路也大大增加了整個電路的復雜性。

本文研究了一種采用雙吸收室結構的激光光泵Cs原子光泵磁力儀系統，通過對稱的雙吸收室結構設計使整個系統回路在不存在±90°移相電路的情況下相位差為0，從而使整個自激式光泵磁力儀系統的電路結構大大簡化，還能使自激式光泵磁力儀系統的共振譜線更加對稱，能極大降低由原子能級共振譜線不對稱而引起的轉向差。

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。

原子吸收室中的原子能級在外磁場下產生塞曼分裂，形成塞曼子能級，在圓偏振光的泵浦下，原子塞曼子能級的熱平衡狀態被打破，則原子將會產生一定的自旋取向，并在圓偏振光的傳播方向上形成宏觀磁矩，宏觀磁矩的存在使得原子吸收室中的原子在外部磁場下受到力矩作用，原子將圍繞外部磁場作拉莫爾進動，且拉莫爾進動的頻率與外部磁場的大小成正比;由此可見，若想要通過自激式激光光泵磁力儀測量外部磁場的大小，就需要知道拉莫爾進動的頻率。同時在交變磁場的作用下，交變磁場使得原子磁矩相干，原子磁矩相干后，原子磁矩的大小變化才是一個周期性信號，呈現周期性才能保持一個穩定的頻率，而從原子吸收室輸出的光信號的光強與原子磁矩的大小成線性相關，則當原子磁矩大小周期性變化時，光信號的光強也周期性變化，也就是說，此時光信號的頻率與原子磁矩的頻率相同;而當射頻線圈上的交流電信號的頻率與拉莫爾頻率相等時，說明被圓偏振光泵浦后的原子能級與射頻線圈產生的交變磁場產生共振，形成光磁共振效應，此時，光電探測器輸出的電信號再輸入射頻線圈。產生自激振蕩需要滿足兩個條件：整個系統回路相位差滿足θ=2nπ（n=0，±1，…）;系統放大倍數u在起振時略大于1，而在形成穩定振蕩后大小為1。

2? 系統設計

圖2所示為雙吸收室自激式Cs原子激光光泵磁力儀系統示意圖，半導體激光器1發出的光線經擴束器2擴束，經半透半反鏡3和反射鏡4、5、6后變為反方向傳播的兩束光，兩束光分別經過偏振片7、14和1/4玻片8、15后變為左旋圓偏振光，然后經過吸收室10、17，再通過匯聚透鏡11、18聚焦到光電探測器12、19上將光信號轉換為電信號，探測器12/19上的信號經放大器13/20分別放大后連接至射頻線圈9/16，頻率計數器21用于測試系統振蕩頻率。

圓偏振光模塊（7/8和14/15）出射的兩束大小相等、方向相反的圓偏振光分別入射到原子吸收室10和17，在射頻線圈9產生的交變磁場和外部磁場的共同作用下，圓偏振光通過泵浦原子吸收室10形成光磁共振，則原子吸收室10得到第一輸出光;同時，在射頻線圈16產生的交變磁場和外部磁場的共同作用下，圓偏振光通過泵浦原子吸收室17形成光磁共振，則原子吸收室17得到第二輸出光。光電探測器12用于將第一輸出光轉換為第一電信號，然后第一電信號輸入到射頻線圈16，則射頻線圈16為原子吸收室17中的光磁共振提供交變磁場。光電探測器19用于將第二輸出光轉換為第二電信號，然后第二電信號輸入到射頻線圈9，則射頻線圈9為原子吸收室10中的光磁共振提供交變磁場。頻率計數器21用于測量第一電信號或第二電信號的振蕩頻率值，然后通過振蕩頻率值與磁場的對應關系，得到外部磁場的大小。

3? 結束語

本文研究了自激式的Cs原子激光光泵磁力儀，采用對稱分布的雙吸收室結構設計，這種結構使得自激式激光光泵磁力儀系統在不存在±90°移相電路的情況下，也能滿足θ=0°的相位條件，使整個自激式光泵磁力儀系統避免了±90°移相電路，從而使電路結構大大簡化。除此之外，自激式光泵磁力儀系統的共振譜線也更加對稱，由原子能級共振譜線不對稱而引起的轉向差得到更好地抑制。

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]? Xi Chen， Wei Quan， Lihong Duan， et al. Design and realization of beam collimation system for semiconductor laser in atomic magnetometer[J]. Proc. of SPIE， 2015. 9671（967114）：1-6.

[5]? S. Arach， G. Ban， G. Bison， et al. Highly stable atomic vector magnetometer based on free spin pression[J]. Optics Express. 2015. 23（17）：22108-22115.

[6]? Ji-Qing Fu， Peng-Cheng Du， Qing Zhou et al. Spin dynamics of potassium magnetometer in spin-exchange relaxation free regime[J]. Chin. Phys. B. 2016. 25（1）：010302.

[7]? A. A. Baranov， S. V. Ermak， E. A. Sagitov， et al. Double Resonance Fequency Light Shift Compensation in Optically Oriented Laser-Pumped Alkali Atoms[J]. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2015. 121（3）：393-403.

[8]? S. P. Dmitriev， R. A. Zhitnikov， A. I. Okunevich. Effect of Penning collisions between optically oriented Rb and He atoms on electron density in plama[J]. Sov. Phys.-JETP， 1976. 43（1）：35-39.

[9]? S. Groeger， A. S. Pazgalev， A， Weis. Comparision of discharge lamp and laser pumped cesium magnetometers[J]. Applied Physics B， 2005. 80：645-654.