基于磁場調制的原子磁強計單光束檢測翟慧慧

關鍵詞：原子磁強計；磁場調制；單光束；弱磁檢測

中圖分類號：TM 936 文獻標志碼：A

引言

全光法原子磁強計是通過光泵浦對堿金屬原子進行極化，然后通過檢測探測光的旋轉角度或原子氣室中透射光的強度來獲得外界磁場大小的光學儀器[1]。全光法原子磁場測量技術已經成為新一代超高靈敏磁場測量技術[2]。無自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF）原子磁場測量裝置基于SERF理論，實現了迄今低頻范圍內磁場測量的最高靈敏度[3-4]。SERF原子磁強計不需要進行低溫冷卻，成本低于超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID）。在過去幾十年中，SQUID一直是超高靈敏磁場測量的主流技術，但隨著SERF原子磁強計的出現，它逐漸被取代。SERF原子磁強計具有小型化和靈活配置兩個明顯的優勢[5]。超高靈敏的磁場測量在物理學、古地磁學、腦磁檢測以及國民經濟與國防建設等方面都具有重要意義，并且對物理科學和生物醫學等方面也有重要貢獻[6-9]。

通過消除堿金屬原子自旋碰撞引起的弛豫現象，SERF原子磁強計獲得了極高的靈敏度[10]。1973年，哥倫比亞大學的Happer等[11]首次觀察到了SERF現象，即在自旋交換速率遠遠高于拉莫爾進動頻率時，自旋交換弛豫現象會被抑制。隨后，Dang等[3]以0.45cm³的測量體積實現了0.16fT/Hz^1/2的磁場靈敏度，其超過了SQUID的靈敏度。通常，SERF原子磁強計用一束圓偏振光作為泵浦光，這束光與堿金屬原子的D1線共振。泵浦光將氣室中的堿金屬原子從基態泵浦到激發態。經過自發輻射，激發態的堿金屬原子會降到次能級上[12]。堿金屬原子在極化后，次能級上的所有光子都會沿著光束傳播方向產生相同的自旋投影。為泵浦光添加一束垂直的線偏振光作為檢測光，當光束經過堿金屬原子氣室時，光束的偏振面偏轉的角度與原子的自旋在傳播方向上的投影成正比?？梢酝ㄟ^測量偏轉角大小推算出拉莫爾進動頻率，從而獲得外部磁場的信息[8，13]。但這種方法不利于原子磁強計的小型化發展[14]。單光束配置通常采用與堿金屬原子D1線共振的橢圓偏振光或圓偏振光來同時進行泵浦和檢測[15]。

本文介紹了一種通過檢測堿金屬原子氣室透射光強來測量外界磁場的單束光原子磁強計，同時加入了磁場調制。堿金屬原子采用的是銣原子，在進行磁補償的同時加上50～100nT的磁場調制，對經過堿金屬氣室后的光強度進行檢測，最后對獲得的信號進行放大解調得到待測磁場信息。

1基本原理

1.1光泵浦

原子自旋極化強度越大，磁強計的靈敏度越高，兩者成正比。堿金屬原子在熱平衡狀態下的極化度可通過玻爾茲曼分布來表示與堿金屬原子D1線共振的圓偏振光射入堿金屬原子氣室，堿金屬原子吸收光子后產生自旋極化。

1.2光探測

測量原理如圖1所示，激光器發出一束波長

由式（11），在施加調制的前提下，當p為1時，電子自旋呈現色散曲線，在零磁場周圍，電子自旋極化與磁場大小呈線性關系[17]。待測磁場信息可以通過鎖相放大器對調制信號的解調而得到。

2實驗

單光束原子磁強計實驗原理如圖2所示，定義入射光的方向標為x軸方向。由激光器發出的激光首先需要通過兩個平凸透鏡進行擴束和聚焦處理以確保光線為平行光，然后經過兩個反射鏡，調整光線的垂直和平行角度以及傳播方向使之能夠順利地穿過氣體室，同時也避免光回流損傷到激光器的情況發生。接著用一個非偏振分光棱鏡進行分光：一束光進入波長計中對激光波長實時監測以保證激光波長共振在銣原子的D1線；另一束光先通過格蘭泰勒棱鏡實現初始的線偏振狀態，再穿過一個半波片并經由一個偏振分光棱鏡（半波片和偏振分光棱鏡構成一個光強調節器以調整激光光強），然后利用一個λ=4波片將其轉換成圓偏振光，最后該圓偏振光進入堿金屬氣室，對其中的堿金屬原子進行極化。利用光電二極管對極化后的光束進行光信號采集，并將其轉換為電信號，通過鎖相放大器進行解調放大。實驗裝置如圖3所示。

本實驗選用DFB半導體激光器，這種激光器發出的光束發散角小、相干性好、輸出功率密度大。光束中心波長為795nm，最大工作電流133mA，閾值為30mA，在133mA時最大輸出功率為77mW。在激光器工作溫度T=23.4℃時，使用索雷博功率計PM100D+S130C測得的工作電流對應輸出功率如圖4所示。

將激光器電流I設置為60mA，堿金屬原子氣室被分別加熱到110℃、120℃、130℃，激光器溫度從15.4℃調節到31.4℃。光束經過堿金屬原子氣室后，激光功率變化如圖5所示：不同原子氣室溫度時激光功率變化整體趨勢相同；在激光器保持溫度不變時，原子氣室溫度升高，光功率降低；當激光器溫度在22.0～24.9℃時，光功率大幅下降，隨后溫度進一步升高其又大幅上升，但始終回不到原有水平。

原子氣室被加熱到一定溫度可以很好地保證堿金屬原子的密度，從而更好地實現SERF態。在實驗時，將激光器電流設置為60mA，溫度設置為16.5℃以獲得足夠大的光功率，由此實現堿金屬原子的光泵浦。原子氣室在一定的溫度范圍內，外界磁場的變化會改變原子對光的吸收程度，引起透射光強的變化。當外界磁場在零場附近時，透射光強達到最大。

施加調制磁場后，堿金屬原子曲線由吸收型變為色散型，如圖6所示。在零磁場的情況下，透射光強與周圍磁場的變化形成的線性變化區域被稱作線寬。原子磁強計的靈敏度可以通過原子氣室線寬來衡量。

在z軸方向施加一個周期性變化的正弦波形式的掃描磁場，用來獲取原子磁強計吸收曲線，并分析其與透射光強和外界磁場變化三者之間的關系。對5個銣原子氣室的線寬進行相同透射光強的測試，選擇了線寬最小的氣室進行最終的實驗。如圖7所示，在5個銣原子氣室中，球形的銣原子氣室（即氣室1）在z軸方向的線寬最小，為18.93nT。

實驗中堿原子氣室采用直徑為20mm的球形銣原子氣室，在三軸線圈上施加調制磁場。調制指數m可以用來表示磁強計受到調制頻率和調制幅值影響的程度

鎖相放大器的輸出為磁強計的真實響應，調制幅值優化結果如圖8所示。為了使磁強計靈敏度最佳化，在實驗中將調制頻率設定為1.1Hz，調制幅值范圍設定在50～100nT，并通過優化調制幅值來確定最佳調制指數。

在將調制幅值從52nT增加至72nT，靈敏度沒有明顯的提高；當調制幅值為82nT時，最高靈敏度達到175.4fT/Hz^1/2，調制指數為0.887。原子磁強計的響應和噪聲水平決定了原子磁強計的靈敏度。原子磁強計的響應隨著調制幅值的增加而提高，同時放大了磁噪聲，最終導致原子磁強計靈敏度沒有太大變化。

3結論

本文提出一種基于磁場調制的單光束原子磁強計。該磁強計通過檢測堿金屬原子氣室的透射光強來獲得相應的外界磁場的大小。采用波長為795nm的近紅外光對銣原子進行泵浦，在進行激光器的調試時發現在不同氣室溫度下光功率隨激光器溫度變化形勢大致相同，但在不同激光器溫度下光功率變化相差較大，所以在實驗時需要選取合適的激光器溫度。在實驗時，將激光器電流設置為60mA，溫度設置為16.5℃。在調制頻率為1.1kHz，調制幅值為82nT，即調制指數為0.887時，系統靈敏度最高達到175.4fT/Hz^1/2。這種基于磁場調制的單光束原子磁強計結構簡單，更有利于磁強計的小型化、微型化和實用集成化，在微弱磁場、生物磁場測量等多個領域具有實用價值。