石 銘

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所,湖北 宜昌 443003；2.國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

光泵原子磁力儀(OPM)是通過(guò)測(cè)量原子磁矩在靜磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量靜磁場(chǎng)的一種磁場(chǎng)標(biāo)量測(cè)量?jī)x器[1]。共振光源用于極化原子使原子自旋取向產(chǎn)生宏觀磁矩，然后，通過(guò)檢測(cè)原子氣體對(duì)共振光吸收系數(shù)來(lái)檢測(cè)磁矩進(jìn)動(dòng)效應(yīng)。光泵原子磁力儀的早期研究可以追溯到上世紀(jì)六十年代[2,3]，當(dāng)時(shí)主要采用原子光譜燈作為泵浦光源。近年來(lái)，隨著微加工工藝和小型半導(dǎo)體激光器研究的進(jìn)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(diǎn)[4-6]。

對(duì)于傳統(tǒng)的光泵原子磁力儀，He或堿金屬原子能級(jí)在特定圓偏振光的直接作用下，受能量守恒與選擇定則的約束，其在磁場(chǎng)中形成的塞曼子能級(jí)間的平衡被打破，從而產(chǎn)生了原子的自旋極化及原子宏觀磁矩。在光磁共振模式下，由射頻線圈產(chǎn)生頻率為ωrf的波動(dòng)磁場(chǎng)，該射頻場(chǎng)驅(qū)動(dòng)塞曼子能級(jí)間的躍遷，破壞了自旋極化，當(dāng)ωrf等于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，達(dá)到共振增強(qiáng)的效果[7]。這是目前光泵原子磁力儀所廣泛采取的方法。這種通過(guò)光與原子直接作用檢測(cè)原子在磁場(chǎng)中的拉莫爾頻率來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的方法，可以實(shí)現(xiàn)pT甚至以下量級(jí)的測(cè)試靈敏度，然而，由于原子共振頻率在泵浦光源的作用下會(huì)產(chǎn)生頻移，其磁場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)確度并不高，比如美國(guó)GEOMETRICS公司的G882 海洋磁力儀，其磁場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)確度為3nT，遠(yuǎn)低于質(zhì)子磁力儀0.1nT的測(cè)試準(zhǔn)確度。為了提高光泵磁力儀的測(cè)試準(zhǔn)確度，可以采取堿金屬與He原子混合泵浦的模式：首先，堿金屬在泵浦光源的作用下產(chǎn)生極化；其次，通過(guò)堿金屬原子與He原子的自旋交換作用使He原子極化；然后，通過(guò)檢測(cè)亞穩(wěn)態(tài)He原子在磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。S. P. Dmitriev[8]等研究了采用原子光譜燈作為泵浦光源的堿金屬-He磁力儀，研究表明其磁場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)確度能達(dá)到0.01nT量級(jí)。

相比于使用原子光譜燈作為泵浦光源，半導(dǎo)體激光器表現(xiàn)出體積小、功耗低、線寬窄、波長(zhǎng)單一等特點(diǎn)。S. Groeger等人對(duì)比研究了使用原子光譜燈和半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源的Cs原子磁力儀[9]，在相同的處理電路和制備工藝下，采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源靈敏度更高。

本文采取鎖定于Cs原子D1線Fg=4→Fe=3躍遷能級(jí)的894 nm激光與填充有Cs原子和4He原子的吸收室相互作用的方法，通過(guò)光源與Cs原子的相互作用而極化Cs原子，然后通過(guò)Cs原子與4He原子的自旋交換作用使4He原子極化。文中分析了該方法的基本原理，并設(shè)計(jì)了信號(hào)檢測(cè)與處理電路以實(shí)現(xiàn)其對(duì)拉莫爾頻率的檢測(cè)。

1 工作原理

在沒(méi)有光泵浦作用時(shí)，133Cs原子基態(tài)Fg=3和Fg=4上的粒子數(shù)均勻分布，沒(méi)有極化效果(如圖1所示)。當(dāng)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(shí)，根據(jù)躍遷選擇定則，對(duì)于左旋圓偏振光只有滿足ΔmF=+1的兩個(gè)塞曼子能級(jí)間可以產(chǎn)生躍遷，因此基態(tài)Fg=3的粒子數(shù)會(huì)被泵浦至激發(fā)態(tài)Fe=4上磁量子數(shù)高的能級(jí)上。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，粒子會(huì)通過(guò)自發(fā)輻射回落到基態(tài)Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能級(jí)上。回落到基態(tài)Fg=3上的粒子會(huì)由于光泵浦作用繼續(xù)被泵浦至磁量子數(shù)高的能級(jí)上。最終Fg=3上的粒子數(shù)會(huì)被抽空，全被泵浦至Fg=4線上，并且在|Fg=4,mF=4>塞曼子能級(jí)上的粒子數(shù)最多。從而使Fg=4態(tài)上的粒子數(shù)分布不均勻，實(shí)現(xiàn)原子自旋的極化。而在右旋圓偏振光作用下，極化過(guò)程相反。

圖1 Cs原子的超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)在外磁場(chǎng)中的 塞曼能級(jí)分裂及其在D1線Fg=3→Fe=4左旋圓偏振光作用下泵浦過(guò)程

Cs原子在特定光源作用下被極化后，與Cs原子混合在一起的4He原子可通過(guò)與Cs原子的自旋交換作用實(shí)現(xiàn)極化。圖2所示為4He原子能級(jí)示意圖，由于4He原子在基態(tài)時(shí)角動(dòng)量J=0，不能被極化，因此，實(shí)際工作中，通過(guò)激勵(lì)電路使4He原子從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)角動(dòng)量J=1，在外部磁場(chǎng)中分裂為mj=-1，mj=0，mj=1三個(gè)能級(jí)。在沒(méi)有其他外界干擾時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)三個(gè)子能級(jí)均勻分布，而在4He原子與極化了的Cs原子自旋交換作用下，使得4He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)均勻分布被打破，從而產(chǎn)生極化。通過(guò)檢測(cè)極化了的4He原子在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)的拉莫爾頻率ωL，再由磁場(chǎng)與拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率的正比例關(guān)系(ωL=γB)得到磁場(chǎng)大小。

圖2 He原子能級(jí)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由激光器及控制電路、光學(xué)組件、He-Cs氣室、光電二極管、激勵(lì)電路與檢測(cè)電路等組成，如圖3所示。激光控制電路控制激光器的輸入電流和加熱功率，用于調(diào)節(jié)激光器的輸出波長(zhǎng)并保持其穩(wěn)定性。光學(xué)組件用于使輸出的激光準(zhǔn)直、濾光和產(chǎn)生偏振。亞穩(wěn)態(tài)激勵(lì)電路用于使He-Cs氣室中的4He原子變成亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)形成共振時(shí)，4He原子的極化被破壞，由于Cs原子與4He原子的自旋交換作用，Cs原子極化也會(huì)降低，這樣Cs原子對(duì)激光的吸收系數(shù)會(huì)增加，相應(yīng)的透射光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生極值。當(dāng)激光信號(hào)經(jīng)He-Cs氣室由光電二極管接受轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)跨阻放大和解調(diào)器解調(diào)后，可以得到鑒頻信號(hào)用于判斷是否產(chǎn)生共振，由控制器控制調(diào)制信號(hào)的大小直到形成共振。根據(jù)產(chǎn)生共振的頻率信號(hào)即可以推導(dǎo)出原子自旋拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，再由磁場(chǎng)與拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率的正比例關(guān)系得到磁場(chǎng)大小。

圖3 裝置工作示意圖

3 信號(hào)分析與處理

4He原子經(jīng)過(guò)與Cs原子的自旋交換作用達(dá)到平衡時(shí)，在激光方向上(z方向)形成宏觀磁矩M0，當(dāng)存在外界磁場(chǎng)B時(shí)，原子磁矩M受到力矩的作用，磁場(chǎng)對(duì)M的力矩為：

τ=M×B

(1)

角動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于力矩，其改變的方向沿力矩方向，即：

(2)

由P=M/γ，即：

(3)

γ為4He原子旋磁比，考慮馳豫作用和光極化作用，可以表示為如下矩陣形式：

(4)

T1和T2分別為橫向和縱向馳豫時(shí)間，τp為光抽運(yùn)時(shí)間，根據(jù)上式，可以得到：

(5)

其中，Brf為射頻磁場(chǎng)幅值，ωrf為射頻磁場(chǎng)頻率，1/S1=1/T1+1/τp，1/S2=1/T2+1/τp。由光電探測(cè)器檢測(cè)的透射光強(qiáng)與Mz成正比，因此信號(hào)可以表示為如下圖所示的洛倫茲線形曲線：

圖4 4He原子共振吸收譜線

由圖可知，當(dāng)ωrf=ωL時(shí)形成共振，吸收曲線產(chǎn)生極值，為了通過(guò)電路讀取共振頻率信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，表示如下：

(6)

ωd和ωm分別為調(diào)制深度和調(diào)制頻率，通過(guò)泰勒展開可知在信號(hào)中包含調(diào)制頻率的各次諧波信號(hào)，其中基波信號(hào)線形為原始信號(hào)求導(dǎo)所得，如圖5所示。以調(diào)制頻率的倍頻信號(hào)作為參考信號(hào)，基波信號(hào)可以通過(guò)鎖相放大器的解調(diào)獲取。當(dāng)ωrf=ωL時(shí)，基波信號(hào)為0，因此，可以通過(guò)反饋控制電路使基波信號(hào)鎖定于0點(diǎn)，形成共振，再由產(chǎn)生共振時(shí)的射頻頻率大小，即可以得到外界磁場(chǎng)大小B=ωL/γ。

圖5 基波信號(hào)曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了采用泵浦光源極化Cs原子而間接極化4He原子的方法，通過(guò)檢測(cè)He原子在磁場(chǎng)中拉莫爾頻率而測(cè)量磁場(chǎng)。這種設(shè)計(jì)方法可以避免He原子與光源直接作用產(chǎn)生的光頻移，能夠減小共振線寬和實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度磁場(chǎng)測(cè)量。通過(guò)理論分析，設(shè)計(jì)了設(shè)備結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理系統(tǒng)，以獲取系統(tǒng)拉莫爾共振頻率，從而得到外磁場(chǎng)大小。