謝胤，羅方雪，張樊，王羚，柳占新

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站，湖北宜昌 443001）

0 引言

磁場(chǎng)測(cè)量一直是精密測(cè)量領(lǐng)域的重要研究方向。自中國(guó)古代發(fā)明指南針以來(lái)，基于多種工作原理的磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備已被研制出來(lái)，如霍爾傳感器、磁通門、質(zhì)子磁力儀、超導(dǎo)量子磁力儀、無(wú)自旋交換弛豫磁力儀等。其中基于光磁共振原理的光泵磁力儀是一種量子磁傳感器［1］，憑借高精度、高靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)在眾多磁力儀中脫穎而出。光泵磁力儀在醫(yī)學(xué)診斷［2］、地球物理［3］、慣性導(dǎo)航［4-5］等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

根據(jù)工作模式的不同，光泵磁力儀可分為自激式和跟蹤式，自激式光泵磁力儀具有更快的響應(yīng)速率與更強(qiáng)的抗干擾能力［6］；根據(jù)工作元素的不同，光泵磁力儀又可分為堿金屬原子光泵磁力儀和惰性氣體光泵磁力儀［7］，堿金屬光泵磁力儀中的工作物質(zhì)主要為鉀、銣和銫等元素。在地磁探測(cè)、磁性目標(biāo)搜索等任務(wù)中，磁力儀需要安裝在飛行器等運(yùn)動(dòng)載體上，自激式銫光泵磁力儀因具備快速響應(yīng)、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，得到了重點(diǎn)應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著光泵磁力儀的發(fā)展，其國(guó)際最優(yōu)水平靈敏度已達(dá)到0.3 pT/Hz1/2@1 Hz［8］。為了給磁傳感器的校準(zhǔn)和測(cè)試提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境，常用的方法是給磁屏蔽筒內(nèi)的線圈通入恒定電流［9］來(lái)復(fù)現(xiàn)恒定的磁場(chǎng)，因此，復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的噪聲水平主要取決于電流源的噪聲。若僅采用精密電流源來(lái)復(fù)現(xiàn)地磁場(chǎng)量級(jí)的磁場(chǎng)，其噪聲水平無(wú)法滿足光泵磁力儀的測(cè)試需求。

為了獲得噪聲更低的恒定磁場(chǎng)，介紹了一種基于光泵磁力儀的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光泵磁力儀、函數(shù)發(fā)生器、鑒相控制器、磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)線圈等組成的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，其中光泵磁力儀的靈敏度決定了該系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。實(shí)驗(yàn)采用研制的兩型自激式銫光泵磁力儀：一種是以激光為光源的激光銫光泵磁力儀（Laser Optical-Pumping Magnetometer，LOPM），另一種是以銫原子光譜燈為光源的銫光泵磁力儀（CAM-01），該兩種磁力儀除了光源不同，其它組成部分完全相同?；诖藘煞N光泵磁力儀的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)均復(fù)現(xiàn)了穩(wěn)定的弱磁場(chǎng)，本文研究為設(shè)計(jì)和建造基于高靈敏度銫原子磁力儀的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)提供了重要參考。

1 基本原理和實(shí)驗(yàn)裝置

LOPM和CAM-01通過(guò)光泵浦和磁共振等技術(shù)測(cè)量拉莫爾頻率，該方法首次被Dehmelt提出理論［10］，由Bell和Bloom實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［11］。自激式光泵磁力儀是通過(guò)光探測(cè)的方式鎖定發(fā)生磁共振時(shí)射頻場(chǎng)頻率，進(jìn)而推算待測(cè)磁場(chǎng)值。

激光器產(chǎn)生894.6 nm的線偏振光，經(jīng)過(guò)光學(xué)器件后變成圓偏振光，入射到銫原子氣室。銫原子與外磁場(chǎng)、射頻場(chǎng)建立的三維坐標(biāo)如圖1所示，以外磁場(chǎng)B方向?yàn)閦軸，射頻場(chǎng)方向?yàn)閤軸建立三維坐標(biāo)系。

圖1 三維坐標(biāo)Fig.1 Three-dimensional coordinate

射頻場(chǎng)表達(dá)式為

式中：B1為射頻場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，T；ω為射頻場(chǎng)頻率，rad/s。

氣室內(nèi)銫原子在激光、外磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)等因素作用下，原子磁化強(qiáng)度發(fā)生改變，x軸磁矩越大，透射光強(qiáng)越小。整個(gè)原子宏觀磁性可以用磁化強(qiáng)度M表示為

式中：μ為核磁矩，A·m2；V為樣品體積，m3。其運(yùn)動(dòng)方程有

式中：B為外磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)的疊加，T；γ為原子的旋磁比，Hz/T。

根據(jù)布洛赫方程，磁化強(qiáng)度在x，y，z軸分量的演化為

式中：T1為縱向弛豫時(shí)間，s；T2為橫向弛豫時(shí)間，s；Mx為磁化強(qiáng)度在x軸上的分量，A·m-1；My為磁化強(qiáng)度在y軸上的分量；Mz為磁化強(qiáng)度在z軸上的分量；M0為處于平衡態(tài)的原子的磁化強(qiáng)度。

解穩(wěn)態(tài)方程，式（4）在x軸分量的穩(wěn)態(tài)解有

式中：Δω=ω0-ω=γB-ω為頻率的失諧量。

令

代入式（5）可得

根據(jù)式（6）可得

當(dāng)銫原子氣室發(fā)生光磁共振時(shí)，Δω趨近于0，根據(jù)式（8）可以得出α=90°，這時(shí)根據(jù)式（7）與式（1）可以計(jì)算出x軸的磁極化強(qiáng)度分量Mx滯后射頻場(chǎng)相位90°［12］。

若要完成磁場(chǎng)的探測(cè)則需要增添一個(gè)自激回路進(jìn)行磁場(chǎng)鎖定和跟蹤。首先，需要將光電信號(hào)進(jìn)行一定幅度的放大，以滿足幅度條件|AF|=1，A為開(kāi)環(huán)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)；然后，因光信號(hào)超前射頻信號(hào)90°，而光電轉(zhuǎn)換及后續(xù)電路不會(huì)產(chǎn)生相移，所以需要額外的移相電路使得光電信號(hào)與射頻信號(hào)滿足自激振蕩的相位條件，即Δφ=2nπ（n=0，1，2，3…）。這樣便形成了完整的自激回路，可以進(jìn)行磁場(chǎng)的跟蹤與鎖定。

CAM-01和LOPM的光路分別如圖2（a）、圖2（b）前端所示。圖2（a）為原子光譜燈光源的銫光泵磁力儀，一定功率的射頻信號(hào)激勵(lì)銫原子光譜燈，其發(fā)出的熒光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后變成準(zhǔn)平行光，然后通過(guò)窄帶濾光片得到894.6 nm譜線的光。圖2（b）為激光光源的銫光泵磁力儀，采用Vescent公司的D2-100-DBR激光模塊，通過(guò)恒溫控制和飽和吸收譜穩(wěn)頻之后得到894.6 nm波長(zhǎng)的激光，再通過(guò)整形和擴(kuò)束得到平行光。LOPM和CAM-01分別以激光和原子光譜燈作為光源，經(jīng)偏振片和1/4波片后變成圓偏振光，隨后進(jìn)入原子氣室并與銫原子相互作用，最后由透鏡匯聚于光電探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩種光源的光斑直徑均約為12 mm，光強(qiáng)約為1 mW。

地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)是一種具備噪聲抑制和磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)功能的裝置［13］。圖2（c）展示了地磁補(bǔ)償系統(tǒng)組成部分。為獲取恒定的磁場(chǎng)，首先使用磁通門測(cè)量Y軸，Z軸磁場(chǎng)，并通過(guò)精密恒流電源進(jìn)行補(bǔ)償，抵消地磁場(chǎng)在Y，Z軸方向的分量，再通過(guò)精密恒流電源改變X軸線圈的電流來(lái)調(diào)節(jié)X軸方向的磁場(chǎng)大小。高穩(wěn)定頻率源輸出一個(gè)參考頻率，參考頻率值對(duì)應(yīng)目標(biāo)磁場(chǎng)值，銫光泵磁力儀將X軸磁場(chǎng)值轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，并通過(guò)改變X軸恒流源的輸出電流，使銫光泵磁力儀輸出頻率值逼近參考頻率，當(dāng)頻率差足夠小，整個(gè)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，系統(tǒng)則可以自動(dòng)補(bǔ)償X軸地磁場(chǎng)的變化，并使銫光泵磁力儀的輸出頻率穩(wěn)定在參考頻率附近。

圖2 基于銫光泵磁力儀的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of geomagnetic noise compensation system based on cesiumoptical-pumping magnetometer

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，先采用CAM-01以10 Hz的采樣率對(duì)地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)周圍的環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。從圖中可以看出，環(huán)境磁場(chǎng)不但有持續(xù)漂移，而且在一定范圍內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰-峰值大于80 pT，磁場(chǎng)漂移和噪聲超出了磁傳感器的校準(zhǔn)和測(cè)試的要求。引起環(huán)境磁場(chǎng)漂移和噪聲的因素十分復(fù)雜［14］，如地球自轉(zhuǎn)、環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造、周圍地形環(huán)境、人造金屬物體和周圍電器設(shè)備等因素均會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)噪聲，當(dāng)這些影響因素不可避免時(shí)，可通過(guò)地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行地磁噪聲補(bǔ)償和恒定磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)。

圖3 環(huán)境磁場(chǎng)Fig.3 Environmental magnetic field

復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的峰-峰值是評(píng)價(jià)地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)的重要指標(biāo)。然后，將CAM-01和LOPM分別用于地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)大小分別為20000，35000，50000，65000和80000 nT的磁場(chǎng)，兩類銫光泵磁力儀測(cè)得的磁場(chǎng)如圖4所示。分別以CAM-01和LOPM作為磁傳感器的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)所復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的峰-峰值如表1所示。其中，當(dāng)LOPM所測(cè)磁場(chǎng)的峰-峰值處于2.9 pT至7.6 pT之間時(shí)，CAM-01所測(cè)磁場(chǎng)的峰-峰值處于3.2 pT至10.8 pT之間時(shí)，均遠(yuǎn)低于地磁環(huán)境下磁場(chǎng)噪聲，說(shuō)明該地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)可以有效復(fù)現(xiàn)低噪聲磁環(huán)境。如圖4（a）～圖4（c）所示，當(dāng)復(fù)現(xiàn)50000 nT以下磁場(chǎng)時(shí)，以LOPM和CAM-01作為磁傳感器的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的峰-峰值相差不大；如圖4（d）和圖4（e）所示，當(dāng)復(fù)現(xiàn)高于50000 nT的磁場(chǎng)時(shí)，以LOPM作為磁傳感器的地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的峰-峰值低于以CAM-01為磁傳感器的補(bǔ)償系統(tǒng)。

表1 不同復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的峰-峰值Table.1 Peak-to-peak value of different reproduced magnetic fields

圖4 不同復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的補(bǔ)償效果圖Fig.4 Diagram of the compensation effect of different reproduced magnetic fields

銫光泵磁力儀的靈敏度會(huì)對(duì)地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的效果產(chǎn)生影響，其復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)雖然不能直接用來(lái)進(jìn)行銫光泵磁力儀噪聲和靈敏度指標(biāo)的評(píng)估，但能間接反映銫光泵磁力儀的性能。本文通過(guò)復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）來(lái)間接分析銫光泵磁力儀靈敏度［15］。分別以CAM-01和LOPM作為磁傳感器的地磁補(bǔ)償系統(tǒng)，所復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)在1 Hz處的功率譜密度如表2所示。表中數(shù)據(jù)為圖5（a）～圖5（e）中LOPM和CAM-01在1 Hz的功率譜密度，隨著復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的增大，LOPM的PSD逐漸增大，但始終低于CAM-01，其原因在于，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，原子氣室內(nèi)磁場(chǎng)梯度增大，且磁共振信號(hào)的線寬增大，導(dǎo)致光泵磁力儀靈敏度降低。

表2 不同復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的功率譜密度(1 Hz)Table.2 PSDof different reproduced magnetic fields(1 Hz)

圖5 不同復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的功率譜密度Fig.5 PSDof different reproduced magnetic fields

4 結(jié)論

針對(duì)光泵磁力儀在地磁補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題，本文研制了兩類用于地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)的自激式銫光泵磁力儀，相對(duì)于跟蹤式氦光泵、鉀光泵及質(zhì)子磁力儀，具有更高的頻率響應(yīng)帶寬，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)更高頻率磁干擾的補(bǔ)償能力。復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)峰-峰值低于10.8 pT（10 Hz采樣率），功率譜密度優(yōu)于0.5 pT/Hz1/2@1 Hz?；诩す夤庠吹腖OPM和基于原子光譜燈光源的CAM-01，既解決了環(huán)境磁場(chǎng)漂移的問(wèn)題，又避免了環(huán)境磁場(chǎng)噪聲過(guò)大的問(wèn)題，復(fù)現(xiàn)了穩(wěn)定的弱磁場(chǎng)，提高了校準(zhǔn)和測(cè)試磁傳感器的能力。此外，本文首次將激光銫光泵磁力儀應(yīng)用于地磁噪聲補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在較大磁場(chǎng)下可復(fù)現(xiàn)噪聲更低的恒定磁場(chǎng)，為光泵磁力儀的靈敏度指標(biāo)繼續(xù)提高也提供了可參考的技術(shù)方案。