可芯片化的激光抽運Mz型原子磁強計參數研究

范雪琴，田 原，張 奕，李松松，陳杰華

(1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院武漢物理與數學研究所，武漢 430071)

0 引言

原子磁強計利用光與原子作用來測量磁場，具有靈敏度高的優點，在空間探測[1]、水下目標發現[2]和地磁導航[3]等方面有廣泛應用。根據實現原理不同，原子磁強計分為光學-射頻雙共振原子磁強計[4-5]、相干布居囚禁磁強計[6-7]、無自旋交換弛豫磁強計[8-9]和非線性磁光旋轉磁強計[10-11]等。其中光學-射頻雙共振原子磁強計發展最為成熟，已形成產品，并在反潛、探礦和導航等場合實現應用[12]。

光學-射頻雙共振原子磁強計利用原子的超精細能級在外磁場作用下發生分裂形成多個Zeeman子能級，且相鄰Zeeman子能級裂距與外磁場大小成正比。當原子被光場極化后，施加一個射頻場，當射頻頻率與原子相鄰Zeeman子能級裂距頻率一致時，可以觀測到磁共振現象，此時通過磁共振信號可以獲得相鄰Zeeman子能級裂距頻率，從而反推出磁場大小，實現磁場測量。根據磁共振信號探測方式的不同，光學-射頻雙共振原子磁強計分為Mx型和Mz型，Mx型磁場響應速度更快，而Mz型磁場測量準確度更高[13]。根據光源的不同，光學-射頻雙共振原子磁強計又分為光譜燈抽運型和激光抽運型，激光抽運型使用半導體激光器，相比光譜燈抽運型，可以實現更小體積和更低功耗。

國內僅有的光學-射頻雙共振原子磁強計產品屬于Mx型，采用光譜燈抽運，探頭體積大于500cm3，功耗大于20W，靈敏度小于1pT/Hz1/2@1Hz，測量范圍為10μT～100μT；而國外激光抽運Mz型原子磁強計產品靈敏度達1pT/Hz1/2@1Hz，測量范圍為1μT～100μT，但探頭體積小于20cm3，功耗小于3W，且該產品對我國禁運[12]。

本文介紹了在實驗平臺上開展的激光抽運Mz型原子磁強計的研究工作，并對影響磁共振信號質量的激光功率和射頻場強度進行了實驗研究，獲得了研制原理樣機的相關實驗參數；還介紹了已經實現的激光抽運Mz型原子磁強計原理樣機，并對樣機中射頻線圈在原子氣室空間內形成的磁場的場強均勻性進行了仿真分析。

1 實驗原理及裝置

在激光抽運Mz型原子磁強計中，激光與原子作用的原理如圖1所示。工作原子采用87Rb原子，在外加弱磁場下，原子能級發生Zeeman分裂，基態能級Fg=1和Fg=2發生如圖1所示的Zeeman子能級分裂。基態相鄰Zeeman子能級之間的分裂頻率ω0=γB0，其中，87Rb原子的基態旋磁比γ=7kHz/μT，B0為待測磁場。采用波長對應87Rb原子D1線(52S1/2→52P1/2)的左旋圓偏振光場與87Rb原子作用，激發|Fg=2,mF= -2>→|Fe=2,mF=-1>、|Fg=2,mF=-1>→|Fe=2,mF=0>、|Fg=2,mF=0>→|Fe=2,mF=+1>和|Fg=2,mF=+1>→|Fe=2,mF=+2>躍遷，使得大量原子積聚在|Fg=2,mF=+2>能態上，原子不再吸收光場。此時，在垂直于光場傳播方向上施加一個射頻場，當射頻頻率在ω0附近時，由于磁偶極相互作用，處于|Fg=2，mF=+2>能態上的原子數在基態Zeeman子能級之間重新分布，原子吸收光場增加，發生磁共振現象，由得到的磁共振譜線中心所對應的射頻頻率就可反推出待測磁場的大小。

圖1 圓偏振激光場與87Rb原子對應能態作用原理圖(52S1/2→52P1/2對應87Rb原子D1線，Fg和Fe分別表示87Rb原子基態和激發態，mF為磁量子數)Fig.1 Schematic diagram of interaction between the circularly polarized laser field and the energy state of87Rb atom(52S1/2→52P1/2corresponds to D1line of87Rb atom, Fgand Ferespectively represent the ground state and excited state of87Rb atom, and mFis the magnetic quantum number)

實驗裝置如圖2所示。光源為縱腔面發射半導體激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，輸出波長為794.979nm的線偏振發散光束。激光波長隨激光器驅動電流的變化率為0.6nm/mA，隨溫度的變化率為0.06nm/K，為保證激光頻率的穩定性，實驗中對電流和溫度的控制精度分別為1×10-4mA和1mK。透鏡將發散光束會聚為光斑直徑約2mm的平行光束，平行光束經過光學衰減片被衰減至合適的光強，λ/4波片將線偏振光轉換為圓偏振光并與原子氣室內原子相互作用。利用光電探測器(Photodetector，PD)探測透過氣室的激光光強。原子氣室為直徑2cm、厚度1cm的圓柱形玻璃泡，泡內充有工作原子87Rb以及緩沖氣體氮氣和甲烷，緩沖氣體可以減小原子與泡壁的碰撞幾率。為了保證氣室中有足夠多的原子與激光作用，一般要對氣室進行加熱，但溫度過高會導致原子退相干，增寬磁共振譜線。結合實驗中所采用的氣室壓強大小和緩沖氣體配比，測得氣室的最佳工作溫度為66℃。通過在氣室周圍環繞雙絞線加熱絲，在緊貼氣室處設置熱敏電阻監控氣室溫度，并設置PID反饋電路對氣室控溫至66℃，控溫精度達0.01K。為避免加熱絲電流引入磁噪聲，采用交流加熱方式，加熱電流頻率高于87Rb原子在100μT磁場環境中的拉莫爾進動頻率(約700kHz)。圓形射頻線圈提供射頻磁場Brf，通入線圈的電流由信號發生器產生，精度達0.1mA。由畢奧-薩伐爾定律可知，Brf與線圈電流成正比，通過所繞線圈的半徑和匝數計算可得，二者的正比關系為30nT/mA。為保證在氣室空間內產生磁場強度的均勻性，線圈在氣室上下對稱分布，Brf磁場方向與光束傳播方向垂直。長螺線管提供待測磁場B0，磁場方向沿光束傳播方向，設置B0=50μT(該磁場下原子的拉莫爾進動頻率為350kHz)。為了屏蔽外界雜散磁場干擾，在物理系統外部設置高磁導率的五層磁屏蔽筒，實際測得磁屏蔽桶內剩磁約為5nT，在地磁場測量范圍內，該剩磁對待測磁場的影響可忽略。

圖2 實驗裝置(A表示衰減片；λ/4表示四分之一波片；B0和Brf分別表示待測磁場和射頻場；PD表示光電探測器)Fig.2 Experimental apparatus(A: variable optical attenuator;λ/4: quarter-wave plate; B0: magnetic field to be measured; Brf: radio frequency field; RF coils: radio frequency coils; PD: photo detector)

2 實驗結果及討論

采用圓偏振光場將原子極化后，大量原子積聚在 |Fg=2,mF=+2>能態上，原子不再吸收光場。此時，施加一個射頻磁場，并在350kHz附近掃描射頻頻率，獲得了如圖3黑線所示的磁共振信號；在射頻信號中疊加淺幅調制，調制頻率為137Hz,并利用鎖相放大器對探測到的光電信號進行同步解調，獲得了如圖3紅線所示的磁共振信號的微分信號。測得磁共振信號線寬為2.8kHz，信號最低點對應的頻率值ω=346kHz，由公式ω=γB計算可得B=49.4μT。

圖3 黑線表示磁共振信號，紅線表示鎖相放大器輸出；設置激光功率為40μW，Brf=0.3μTFig.3 Black line represents the magnetic resonance signal and red line represents the output of lock-in amplifier; the laser power is 40μW, Brf=0.3μT

2.1 激光功率

激光功率的增大會導致磁共振信號展寬。通過衰減片改變激光功率，得到了如圖4所示的磁共振信號線寬與激光功率關系，隨著激光功率的增大，磁共振信號的線寬也近似線性增大。同時，得到了如圖5所示的磁共振信號幅度與激光功率關系，隨著激光功率的增大，信號幅度增速逐漸減小，這一現象可以從光抽運的過程給出解釋。極化的原子由于多種因素導致的馳豫過程而轉移到其他能級上，即退極化，退極化原子再次被光抽運極化，這種動態平衡過程需要足夠功率的入射光來維持。但是隨著入射光功率的增加，光抽運的速度相較于馳豫速度更快，退極化且待抽運的原子數減少，光抽運過程很快達到近飽和[14]，因此原子對入射光的吸收幅度并未增加，磁共振信號幅度增速減小。

圖4 磁共振信號線寬隨激光功率變化(紅線為線性擬合結果，擬合表達式為W=0.026P+1.62，W表示信號線寬，P表示激光功率；射頻場強度設置為0.3μT)Fig.4 Magnetic resonance signal linewidth varies with laser power(red line is the linear fit result, the fitting expression is W=0.026P+1.62, W indecates signal linewidth, P indicates laser power; RF field intensity is 0.3μT)

圖5 磁共振信號幅度隨激光功率變化(射頻場強度設置為0.3μT)Fig.5 Magnetic resonance signal amplitude varies with laser power(RF field intensity is 0.3μT)

將磁共振信號的幅度與線寬比值隨激光功率的變化情況繪制如圖6所示，激光功率由10μW增大至50μW時，幅度與線寬比值持續增大，并在50μW處達到最大值，但隨著激光功率繼續增大，比值呈減小趨勢。這是由于光抽運過程逐漸達到飽和后，磁共振信號幅度的增速減小，而線寬持續地線性增長。磁共振信號的幅度-線寬比值是磁強計靈敏度評價公式中的重要參數，該比值越大，則靈敏度越高。因此，取50μW作為激光功率的最佳參數值，為研制原理樣機提供了參考依據。

圖6 磁共振信號幅度與線寬的比值隨激光功率變化Fig.6 The amplitude-to-linewidth radio of magnetic resonance signal varies with laser power

2.2 射頻場強度

射頻場強度增大會導致磁共振信號展寬。通過改變射頻線圈的電流幅值，得到了如圖7所示的磁共振信號線寬與射頻場強度的關系，隨著射頻場強度的增大，磁共振信號的線寬也近似線性增大。同時，得到了如圖8所示的磁共振信號幅度與射頻場強度的關系。隨著射頻場強度的增大，信號的幅度也顯著增大，但當射頻場強度相對于有效原子數量和有效光強趨于飽和時，磁共振信號幅度增速減小。

圖7 磁共振信號線寬隨射頻場強度變化(紅線為線性擬合結果，擬合表達式為W=2.34R+2.13，W表示信號線寬，R表示射頻場強度；激光功率設置為40μW)Fig.7 Magnetic resonance signal width varies with RF field intensity(red line is the linear fit result, the fitting expression is W=2.34R+2.13, W indecates signal linewidth, R indecates RF field intensity; Laser power is 40μW)

圖8 磁共振信號幅度隨射頻場強度變化 (激光功率設置為40μW)Fig.8 Magnetic resonance signal amplitude varies with RF field intensity(laser power is 40μW)

磁共振信號的幅度與線寬比值與射頻場強度的關系如圖9所示。當射頻場強度達到0.36μT后，隨著射頻場強度的增大，幅度與線寬比值幾乎保持不變。待測磁場B0為原子躍遷提供量子化軸，而射頻場Brf方向與B0方向垂直，當Brf過大時將對B0形成干擾，影響原子自旋磁矩在待測磁場方向上的投影，從而降低磁共振信號的幅度。因此，取0.5μT作為射頻場強度的最優參數值，其相對待測地磁場(10μT～100μT)而言干擾較小。

圖9 磁共振信號幅度與線寬的比值隨射頻場強度變化Fig.9 The amplitude-to-linewidth radio of magnetic resonance signal varies with RF field intensity

2.3 射頻場強均勻性

射頻線圈在氣室空間內形成的磁場存在不均勻性，導致氣室內不同位置的原子在發生Zeeman躍遷時，吸收的射頻磁場能量不同，因此磁共振信號會發生展寬及幅度變化。為了探究氣室內射頻磁場強度的均勻性對磁共振信號幅度和線寬的影響，對氣室內的磁場強度分布情況進行了仿真分析。圖10所示為磁強計原理樣機內射頻線圈與原子泡的相對位置示意圖。射頻線圈在87Rb原子氣室上下對稱分布。氣室形狀為圓柱體，利用畢奧-薩伐爾定律計算可知，其空間內沿x軸的各個軸切面上的磁場強度分布情況均相同，因此，由軸切面xoz內各點磁場強度可推出整個氣室空間內任意點處的磁場強度。利用Mathematica軟件對氣室軸截面xoz的磁場強度分布進行了仿真計算，得到如圖11所示的三維分布圖。為了直觀地反映xoz面內各點磁場強度的相對大小，將縱坐標設為xoz面內各點磁場強度與O點磁場強度的比值。

圖10 射頻線圈與原子氣室的相對位置示意圖，氣室(圓柱體)關于x軸和z軸對稱Fig.10 Schematic diagram of the relative position of RF coil and vapor cell, and the vapor cell(cylinder) is symmetric about the x axis and the z axis

圖11 氣室內xoz平面上各點的磁場強度分布三維圖(縱坐標Bz/B0表示xoz平面內各點磁場大小與中心點O處磁場大小的比值)Fig.11 A three-dimensional map of the magnetic field intensity distribution on the xoz plane in the vapor cell(the ordinate Bz/B0 represents the ratio of the magnetic field intensity at each point in thexoz plane to the magnetic field strength at O point)

圖11反映了xoz面內各點的磁場強度關于x軸和z軸呈對稱分布，且越靠近中心O點磁場越均勻。設置中心O點處射頻磁場Brf=0.5μT。圖12所示為xoz面內各點與O點磁場強度比值的等高線圖。當采用光斑直徑為4mm的平行光束沿中心軸線射入原子氣室時，光束與氣室原子的作用區域為圖12中的紅色陰影部分。由各等高線可以看出，在{-0.3≤z≤0.3, -0.2≤x≤0.2}區域內，各點與中心O點磁場強度相差小于10%，磁場強度分布范圍為0.49～0.55μT；在{-0.2≤z≤0.2, -0.2≤x≤0.2}區域內，各點與O點磁場強度相差小于3%，磁場強度分布范圍為0.49～0.515μT。邊緣位置與O點磁場強度相差值最大約為75nT。因此，由xoz面內各點的磁場強度分布情況可推得，整個氣室空間的光束入射區域內磁場強度均勻性較好，對磁共振信號的展寬及幅度變化的影響很小。

圖12 xoz面內各點磁場強度與O點磁場強度比值的等高線圖Fig.12 Contour map of the ratio of the magnetic field intensity at each point in the xoz plane to the magnetic field intensity at O point

3 原子磁強計樣機性能

在前期實驗參數研究的基礎上，實現了激光抽運Mz型原子磁強計樣機，樣機實物圖如圖13所示。樣機功耗2W，體積190cm3(探頭+電路)，靈敏度1pT/Hz1/2@1Hz，測量范圍10μT～100μT。當前樣機使用的VCSEL激光器為TO-46封裝，原子氣室使用玻璃吹制，光學元件通過設計結構進行安放組裝。接下來，利用前期芯片原子鐘研制技術，VCSEL可以使用裸芯，原子氣室通過陽極鍵合技術可將尺寸降低至5mm3以內，利用微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)集成技術將VCSEL激光器、原子氣室、光學元件、射頻線圈和光電探測器集成，可使探頭尺寸降低至10cm3以內，并通過專用集成電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)技術實現電路部分集成，最終可實現該類型原子磁強計的芯片化。

圖13 激光抽運Mz型原子磁強計樣機Fig.13 Optically pumped Mzatomic magnetometer

4 結論

本文通過實驗系統開展了激光抽運Mz型原子磁強計參數研究，確定了激光功率和射頻場強度最佳值。以實驗研究為基礎，實現了可在地磁背景下工作的原子磁強計樣機。此外，仿真分析了樣機內射頻線圈產生的磁場的場強均勻性，仿真結果表明，該場強均勻性滿足磁強計樣機的性能要求。樣機靈敏度與目前光譜燈抽運的銫光泵原子磁強計相當，但體積更小、功耗更低。未來，我們將加快實現該類型芯片級原子磁強計產品，打破國外禁運，滿足國內無人機反潛、水下導航和資源探測等軍民需求。