一種新型的激光抽運(yùn)原子磁力儀

楊世宇，繆培賢，廉吉慶，王劍祥，涂建輝，楊 煒，崔敬忠

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

一種新型的激光抽運(yùn)原子磁力儀

楊世宇，繆培賢，廉吉慶，王劍祥，涂建輝，楊 煒，崔敬忠

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

依據(jù)磁光旋轉(zhuǎn)原理研制了一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型的激光抽運(yùn)高靈敏度原子磁力儀。該原子磁力儀利用磁場(chǎng)中銣原子與光場(chǎng)的相互作用，極化銣原子在待測(cè)磁場(chǎng)中進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng)，利用銣原子磁光共振頻率與外磁場(chǎng)之間的關(guān)系，通過(guò)高靈敏度低噪聲弱磁檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，該磁力儀靈敏度為1 pT/Hz1/2；測(cè)試過(guò)程中磁場(chǎng)波動(dòng)范圍小于0.4 nT。

原子磁力儀；磁光旋轉(zhuǎn)；靈敏度

激光抽運(yùn)堿金屬原子弱磁檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、能耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景；在空間與地球物理、深空磁場(chǎng)探測(cè)、軍事反潛、生物醫(yī)學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景，具有重要的研究?jī)r(jià)值[1-2]。目前使用的用于微弱磁場(chǎng)探測(cè)的高靈敏度磁力儀主要有超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)磁力儀和激光抽運(yùn)原子磁力儀等。但是超導(dǎo)量子干涉磁力儀裝置復(fù)雜、對(duì)工作環(huán)境要求高、使用維護(hù)成本高。激光抽運(yùn)堿金屬原子磁力儀技術(shù)具有靈敏度高、能耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景[3-4]。美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制了高靈敏度的激光抽運(yùn)型原子磁力儀，主要用于磁異反潛、空間磁場(chǎng)測(cè)量和磁力導(dǎo)航等軍用領(lǐng)域；對(duì)激光抽運(yùn)堿金屬原子弱磁檢測(cè)技術(shù)及高靈敏度原子磁力儀限制出口，因此開展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型激光抽運(yùn)堿金屬原子弱磁檢測(cè)技術(shù)研究具有重要價(jià)值。

1 高靈敏度銣原子磁力儀技術(shù)方案及原理

通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)中原子與光場(chǎng)相互作用(磁光共振)的研究，使用測(cè)量光吸收的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁場(chǎng)環(huán)境的測(cè)量，同位素銣原子磁力儀原理示意圖如圖1所示。激光抽運(yùn)堿金屬原子弱磁檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由光源部分、磁傳感器部分和信號(hào)探測(cè)等部分組成。光源部分主要由激光器及其相關(guān)的控制儀器、波片等組成；磁傳感器部分主要由銣原子氣室、恒溫系統(tǒng)等部分組成；信號(hào)檢測(cè)部分由光電轉(zhuǎn)換器件、相關(guān)的放大電路、信號(hào)處理與顯示模塊等部分組成。

圖1 激光抽運(yùn)銣原子磁力儀原理圖

銣原子磁力儀系統(tǒng)對(duì)抽運(yùn)激光和探測(cè)激光分別獨(dú)立控制，經(jīng)過(guò)穩(wěn)頻的諧振窄線寬激光束對(duì)腔內(nèi)原子氣體進(jìn)行高度極化；由于原子能級(jí)分裂對(duì)弱磁場(chǎng)的敏感度很高，因此基于激光抽運(yùn)堿金屬原子的弱磁探測(cè)技術(shù)具有相應(yīng)高的靈敏度和準(zhǔn)確性。用探測(cè)激光與處于待測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的原子氣體相互作用，獲得包含磁信息的調(diào)制光學(xué)信號(hào)，通過(guò)光電探測(cè)器和相應(yīng)的差分放大電路得到含有磁場(chǎng)信息的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路獲得了待測(cè)磁場(chǎng)的大小，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量[5-6]。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

原子磁力儀試驗(yàn)研究中，選用其中的一束共振的抽運(yùn)光束與原子進(jìn)行相互作用，并對(duì)原子自旋進(jìn)行高度極化，極化后的原子體系呈現(xiàn)出高度的二向色性，此時(shí)使一束線偏振探測(cè)光透過(guò)該原子系統(tǒng)，探測(cè)光的偏振面會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)室觀察到的非線性磁光旋轉(zhuǎn)的振蕩信號(hào)特點(diǎn)是周期性的，且振蕩周期與拉莫爾進(jìn)動(dòng)周期一致。極化的原子在待測(cè)磁場(chǎng)中進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率B，其中為銣原子的旋磁比，B為待測(cè)磁場(chǎng)。高度極化的原子與探測(cè)激光發(fā)生相互作用，使得探測(cè)光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且偏轉(zhuǎn)程度與拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率f一致，通過(guò)測(cè)量探測(cè)光偏振面偏轉(zhuǎn)測(cè)量原子體系在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)頻率，最終得到準(zhǔn)確的磁場(chǎng)大小[7-8]。圖2為試驗(yàn)中激光抽運(yùn)銣(Rb)原子的磁光共振信號(hào)?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的磁光共振信號(hào)振幅達(dá)到了0.15 V，銣原子弛豫時(shí)間達(dá)到了8 ms。

圖3為傅里葉函數(shù)擬合得到的待測(cè)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的銣原子拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率。在傅里葉函數(shù)擬合圖中幅度最高的峰對(duì)應(yīng)的頻率就是被測(cè)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的拉莫爾頻率，據(jù)此可得當(dāng)前磁場(chǎng)值，圖4顯示的是光電探測(cè)器檢測(cè)到得磁場(chǎng)信號(hào)，在圖4中該原子磁力儀系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了10 000 nT磁場(chǎng)附近的磁場(chǎng)探測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采集的磁場(chǎng)信號(hào)可以進(jìn)行分析，得到對(duì)應(yīng)的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率和相應(yīng)的磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和電流引起的磁場(chǎng)變化規(guī)律一致，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖2 激光抽運(yùn)銣(Rb)原子的磁光共振信號(hào)

圖3 光電探測(cè)器檢測(cè)到得磁場(chǎng)信號(hào)

3 測(cè)試結(jié)果分析

圖4為通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件分析得到的噪聲功率譜圖，從噪聲功率譜上可以得到原子磁力儀靈敏度測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，原子磁力儀系統(tǒng)在1 Hz頻率點(diǎn)的靈敏度約1 pT/Hz1/2，該測(cè)試結(jié)果較傳統(tǒng)測(cè)磁場(chǎng)的傳感器例如磁通門磁傳感器的靈敏度高1到2個(gè)量級(jí)。

圖4 通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件分析得到的噪聲功率譜圖

采用精密電流源對(duì)磁場(chǎng)線圈進(jìn)行精密控制，將所研制的原子磁力儀系統(tǒng)置于穩(wěn)定的磁場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試，圖5是原子磁力儀磁場(chǎng)波動(dòng)范圍測(cè)量結(jié)果，可以看出，原子磁力儀系統(tǒng)在30分鐘內(nèi)的磁場(chǎng)波動(dòng)范圍小于0.4 nT。

圖5 磁場(chǎng)波動(dòng)范圍測(cè)量結(jié)果

將該原子磁力儀系統(tǒng)置于穩(wěn)定的磁場(chǎng)中，經(jīng)過(guò)2個(gè)小時(shí)的考核試驗(yàn)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)400 nT到30 000 nT磁場(chǎng)的測(cè)量。

4 結(jié)論

依據(jù)磁場(chǎng)中原子與光場(chǎng)相互作用的原理，采用磁光共振技術(shù)，研制了一種銣原子磁力儀，該銣原子磁力儀系統(tǒng)堿金屬原子在外磁場(chǎng)中通過(guò)塞曼效應(yīng)與激光抽運(yùn)的綜合作用而極化，極化的原子在待測(cè)磁場(chǎng)中將進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng)，利用磁光共振頻率與外磁場(chǎng)之間的關(guān)系，通過(guò)高靈敏度低噪聲弱磁檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，該磁力儀系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到了1 pT/Hz1/2，測(cè)試過(guò)程中磁場(chǎng)波動(dòng)小于 0.4 nT。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

New-Style Magnetometer Based on Laser Pumped Rubidium Atoms

YANG Shi-yu， MIAO Pei-xian， LIAN Ji-qin， WANG Jian-xiang， TU Jian-hui, YANG Wei， CUI Jing-zhong

(Lanzhou Space Technology Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

A magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation with intellectual property has been constructed and tested. In this magnetometer, the laser interacts with the rubidium atoms in the magnetic field, and the Larmor precession causes an ac rotation of the polarization of a separate probe beam; the polarization rotation frequency provides a measure of the magnetic field. Test results show that its sensitivity reaches 1 pT/Hz1/2, the magnetic field fluctuate is less than 0.4 nT in the test course.

atomic magnetometer；nonlinear magneto-optical rotation；sensitivity

2016-12-09；

2017-01-10 作者簡(jiǎn)介：楊世宇(1979—)，男，博士，主要從事量子頻標(biāo)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.05.028

format:YANG Shi-yu，MIAO Pei-xian，LIAN Ji-qin，et al.New-Style Magnetometer Based on Laser Pumped Rubidium Atoms[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):123-125.

TM936.1

A

2096-2304(2017)05-0123-03

本文引用格式：楊世宇，繆培賢，廉吉慶，等.一種新型的激光抽運(yùn)原子磁力儀[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):123-125.