高靈敏度弱磁傳感器研究*

曾憲金， 李慶萌， 趙文輝， 張軍海， 孫偉民

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

磁傳感器在生物醫(yī)學(xué)、資源探測、地震災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1～3]。隨著對磁場探測精度越來越高的要求，磁傳感器的性能也不斷的提高。從最常用的霍爾效應(yīng)磁傳感器、磁阻傳感器、磁通門磁傳感器到超導(dǎo)量子干涉(SQUID)器件和基于巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器，磁傳感器技術(shù)不斷的向前發(fā)展。其中，SQUID長期占據(jù)著磁傳感器中最高靈敏度的位置。但這種磁傳感器體積龐大，需要液氦制冷，裝備和維護(hù)費(fèi)用都非常昂貴，極大地限制了其應(yīng)用范圍。最近十幾年來，出現(xiàn)了基于原子自旋磁矩與磁場相互作用的原子弱磁傳感器，其靈敏度已經(jīng)超越了SQUID[4,5]。由于原子磁傳感器超高的靈敏度，且不需要苛刻的工作條件，自其一出現(xiàn)便受到了廣泛關(guān)注[6～8]。

目前,靈敏度最高的原子弱磁傳感器是工作于無自旋交換弛豫機(jī)制下的。為了消除自旋交換弛豫，需要將原子氣室加熱到很高的溫度(>100 ℃)，這時(shí)原子氣室對光的吸收很強(qiáng)。因此,需要將檢測激光鎖定到遠(yuǎn)離原子共振線的頻率上，通常采用法布里—珀羅腔(F—P cavity)對激光進(jìn)行穩(wěn)頻。但F—P腔對溫度，振動(dòng)等都非常敏感，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的困難。為了避免這些問題，本文提出了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測方案的銫(Cs)原子磁傳感器。這種原子磁傳感器可以工作在40 ℃的較低溫度下，激光頻率可以通過飽和吸收譜技術(shù)很容易地穩(wěn)定在原子的共振線上，并且仍然具有很高的靈敏度。

1 工作原理

原子弱磁傳感器是通過測量原子自旋磁矩在外磁場中的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率來反映磁場大小的。其工作原理如圖1所示，一束圓偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光傳播方向極化，一束線偏振的檢測激光沿垂直于泵浦光的方向檢測原子的極化投影。在沒有外磁場時(shí)，原子自旋極化在檢測光方向沒有投影，線偏振光保持原來的偏振態(tài)經(jīng)過原子氣室。當(dāng)有垂直于泵浦光和檢測光平面的外磁場存在時(shí)，原子自旋磁矩在磁場的作用下做拉莫進(jìn)動(dòng)，極化矢量繞磁場旋轉(zhuǎn)，在檢測光方向形成投影。極化的原子對線偏振檢測光的左右旋分量的折射或吸收不同，使通過原子氣室的檢測光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)或橢圓率改變。當(dāng)泵浦光的調(diào)制頻率等于拉莫進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，旋轉(zhuǎn)角或橢圓率變化最大。通過檢測偏振面旋轉(zhuǎn)角或橢圓率變化即可確定拉莫進(jìn)動(dòng)頻率[9]。進(jìn)動(dòng)頻率與磁場大小呈正比，其關(guān)系式為ωL=γB，其中,ωL為拉莫進(jìn)動(dòng)頻率，γ=3.5 Hz/nT為銫原子的旋磁比，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 原子弱磁傳感器的原理

原子自旋極化矢量在繞磁場轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)由于各種弛豫機(jī)制產(chǎn)生衰減，其極化矢量隨時(shí)間的演化可由光學(xué)布洛赫方程描述[10]

(1)

原子弱磁傳感器實(shí)際檢測到的信號是極化矢量在檢測光方向的投影，即Px。為了提高信噪比，通常將EOM的調(diào)制信號作為參考信號，與平衡探測器輸出信號做鎖相放大處理。輸出信號為

(2)

(3)

公式(2)代表參考信號與探測器輸出信號相位差為90°時(shí)的輸出，即正交信號。其中,Δω為譜線寬度，ω為激光強(qiáng)度的調(diào)制頻率，ω0為磁場對應(yīng)的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率。公式(3)代表參考信號與探測器輸出信號相位差為0 時(shí)的輸出，即同相信號。從式中可以看出:采用激光強(qiáng)度調(diào)制的原子弱磁傳感器的正交信號呈現(xiàn)出洛倫茲吸收線型，同相信號表現(xiàn)出色散線型。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2. 1 光路結(jié)構(gòu)

原子弱磁傳感器系統(tǒng)主要包括激光器及其穩(wěn)頻系統(tǒng)、Cs原子氣室、無磁溫控系統(tǒng)、磁屏蔽裝置、圓二向色性檢測光路和數(shù)字頻率跟蹤系統(tǒng)，其具體光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光器經(jīng)過光隔離器后通過飽和吸收譜(saturated absorption spectrum，SAS)光路進(jìn)行穩(wěn)頻，泵浦光鎖定在Cs原子D1線上，檢測光鎖定在Cs原子D2線上。泵浦光經(jīng)過電光調(diào)制器(electro-optical modulator，EOM)后，激光強(qiáng)度被調(diào)制。為了增加有效作用面積，在泵浦光進(jìn)入Cs原子氣室前對其進(jìn)行了擴(kuò)束。通過一個(gè)偏振棱鏡和λ/4波片后，泵浦光變成圓偏振光使Cs原子極化。檢測光經(jīng)過偏振棱鏡后變成線偏振光進(jìn)入Cs原子氣室。透過原子氣室后，經(jīng)過一個(gè)λ/4波片和Wollaston棱鏡后，對Cs原子氣室的圓二向色性進(jìn)行檢測，通過分光束檢測法，將橢圓率變化轉(zhuǎn)換為偏振面的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦光調(diào)制頻率等于拉莫進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，旋轉(zhuǎn)角最大，平衡探測器的輸出信號幅度最大。

圖2 原子弱磁傳感器的光路結(jié)構(gòu)

2.2 無磁溫控系統(tǒng)

為了避免雜散磁場的影響，Cs原子氣室放置于一個(gè)三層磁屏蔽筒中,磁屏蔽筒由高導(dǎo)磁率的坡莫合金制成，屏蔽系數(shù)能達(dá)到105，使屏蔽筒內(nèi)剩磁小低于1 nT。原子弱磁傳感器的標(biāo)準(zhǔn)磁場由放置于磁屏蔽筒內(nèi)的一對亥姆霍茲線圈產(chǎn)生,亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場與泵浦光和檢測光方向垂直。由于原子弱磁傳感器對磁場非常敏感，在磁傳感部分應(yīng)盡量避免磁性物質(zhì)存在,通常的電加熱等方式容易引入磁場，給磁傳感器帶來額外的噪聲。為了對Cs原子氣室實(shí)現(xiàn)完全無磁性加熱，本文采用了熱氣流加熱方式，并設(shè)計(jì)制作了由聚四氟乙烯材料構(gòu)成的雙層熱氣流加熱室。原子氣室內(nèi)溫度采用光纖光柵進(jìn)行監(jiān)測。

2.3 Cs原子氣室

原子氣室是原子弱磁傳感器最為核心的部分，氣室的參數(shù)決定著磁傳感器的性能。為了盡量減小原子與氣壁之間的碰撞，Cs原子氣室中充入了約200 Torr的He作為緩沖氣體。如圖3所示為Cs原子氣室，其直徑為30 mm。為了避免直接充入球形氣室后固態(tài)Cs在氣室內(nèi)沉積，導(dǎo)致極化的Cs原子與固態(tài)Cs之間的碰撞，開始時(shí)將Cs充入外側(cè)的儲(chǔ)存室內(nèi)。由于毛細(xì)管的存在，固態(tài)Cs不會(huì)進(jìn)入到球形氣室。在使用時(shí)，通過加熱儲(chǔ)存室使Cs變成氣態(tài)，從而通過毛細(xì)管進(jìn)入球形氣室中。

圖3 Cs原子氣室

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證Cs原子弱磁傳感器的性能，首先對系統(tǒng)的響應(yīng)譜線進(jìn)行了測量。在泵浦光強(qiáng)為0.6 mW/cm2，檢測光為0.03 mW/cm2，Cs原子氣室溫度為40 ℃，磁場約95 nT的條件下，采用方波對EOM進(jìn)行頻率掃描。如圖4所示為原子弱磁傳感器的磁共振譜線，同相信號呈現(xiàn)色散曲線，正交信號呈現(xiàn)洛倫茲吸收線型。從中可以看出:磁共振譜線的線寬約為22 Hz。色散譜線的峰峰值越高，線寬約窄，則在待測磁場處的斜率越大，說明原子弱磁傳感器對磁場越敏感，即磁傳感器的靈敏度越高。

圖4 磁共振譜線

上述譜線說明了原子弱磁傳感器的物理系統(tǒng)能達(dá)到的性能，但尚未構(gòu)成閉環(huán)的原子弱磁傳感器系統(tǒng)。原子弱磁傳感器是通過自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)辨別和跟蹤拉莫進(jìn)動(dòng)頻率，從而輸出磁場值的。由上圖可知，色散譜線的特點(diǎn)是斜率大，當(dāng)激光強(qiáng)度調(diào)制頻率等于拉莫進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，信號幅值為0。自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)即是基于對色散譜線零點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤來確定拉莫頻率的。為對完整的原子弱磁傳感器的性能進(jìn)行評價(jià)，在恒定磁場下，記錄了原子弱磁傳感器實(shí)時(shí)的測量值。如圖5所示，數(shù)據(jù)為采樣率在5 Hz時(shí)，對穩(wěn)定磁場進(jìn)行30 min連續(xù)測量得出的。從中可以看出:Cs原子弱磁傳感器的峰峰值抖動(dòng)在9 pT以內(nèi)。

圖5 原子弱磁傳感器測試數(shù)據(jù)

原子弱磁傳感器的靈敏度可采用Allan方差進(jìn)行分析

(4)

其中，BAllan為原子弱磁傳感器的靈敏度，Bi為測量數(shù)據(jù)點(diǎn)，N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，τ為采樣時(shí)間間隔。Cs原子弱磁傳感器的采樣率為5 Hz，采樣間隔為0.2 s，將圖5中的數(shù)據(jù)代入上式可得Cs原子弱磁傳感器的靈敏度BAllan=0.12 pT/Hz1/2。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測的Cs原子弱磁傳感器方案，避免了通常的射頻場調(diào)制方案引入的磁共振線寬增寬，解決了遠(yuǎn)離共振檢測時(shí)激光頻率鎖定的困難。介紹了Cs原子弱磁傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成，并進(jìn)行了實(shí)際測試分析。在30 min內(nèi)對穩(wěn)定磁場進(jìn)行連續(xù)測量的峰峰值抖動(dòng)小于9 pT，靈敏度達(dá)到了0.12 pT/Hz1/2。

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