抽運-檢測型非線性磁光旋轉(zhuǎn)銣原子磁力儀的研究

繆培賢楊世宇 王劍祥 廉吉慶 涂建輝 楊煒 崔敬忠

(蘭州空間技術物理研究所,真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

抽運-檢測型非線性磁光旋轉(zhuǎn)銣原子磁力儀的研究

繆培賢?楊世宇 王劍祥 廉吉慶 涂建輝 楊煒 崔敬忠

(蘭州空間技術物理研究所,真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

(2017年4月6日收到;2017年5月25日收到修改稿)

報道了一種抽運-檢測型的非線性磁光旋轉(zhuǎn)銣原子磁力儀.其原理是線偏振光通過處于外磁場環(huán)境中被極化的原子介質(zhì)后,由于原子對線偏振光中左、右圓偏成分不同的吸收和色散,導致光的偏振方向會產(chǎn)生與磁場相關的轉(zhuǎn)動.分析了該磁力儀的工作原理,并測試了它對不同磁場大小的響應.測試結(jié)果表明,磁力儀測量范圍為100—100000 nT,極限靈敏度為0.2 pT/Hz1/2,磁場分辨率為0.1 pT.進一步研究了不同磁場下原子系綜極化態(tài)的橫向弛豫時間,討論了原子磁力儀高磁場采樣率的獲得方法.本文的原子磁力儀在5000—100000 nT的磁場測量范圍內(nèi)磁場采樣率可實現(xiàn)1—1000 Hz范圍內(nèi)可調(diào),能夠測量低頻的微弱交變磁場.本文的研究內(nèi)容為大磁場測量范圍、高靈敏度、高磁場采樣率的原子磁力儀研制提供了重要參考.

原子磁力儀,非線性磁光旋轉(zhuǎn),靈敏度,磁場采樣率

1 引 言

高靈敏度的原子磁力儀在生物醫(yī)學[1,2]、慣性導航[3,4]、軍事磁異反潛[5]、基礎物理研究等[6?9]領域具有重要的應用.目前國際上出現(xiàn)了Mz和Mx模式的光泵磁力儀、相干布居囚禁磁力儀、非線性磁光旋轉(zhuǎn)(nonlinear magneto-optical rotation,NMOR)磁力儀、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)磁力儀等多種原子磁力儀[10],其中SERF磁力儀靈敏度已達到fT/Hz1/2量級[11?13].近年來,國內(nèi)有多家單位開展了原子磁力儀的研究.例如浙江大學研制了銣光泵磁力儀,零磁場附近靈敏度達到0.5 pT/Hz1/2[14];北京大學詳細討論了銫光泵磁力儀的參數(shù)優(yōu)化問題,得到最優(yōu)的靈敏度為2.5 pT/Hz1/2[15];國防科學技術大學研制了NMOR銣原子磁力儀,測量范圍為±60 nT,靈敏度達到1 pT/Hz1/2[16],后來經(jīng)過進一步優(yōu)化實驗條件,靈敏度達到0.2 pT/Hz1/2[17].總體而言,國內(nèi)原子磁力儀的研制還處于起步階段,在靈敏度、測量范圍、磁場采樣率等指標上還有很大的提升空間[18].本文系統(tǒng)地研究了抽運-檢測型的NMOR銣原子磁力儀,測試結(jié)果表明,磁力儀測量范圍為100—100000 nT,極限靈敏度為0.2 pT/Hz1/2,磁場分辨率為0.1 pT,磁場采樣率最高可達1000 Hz.

2 NMOR銣原子磁力儀工作原理

研究的NMOR銣原子磁力儀用兩束激光完成外磁場中原子系綜極化態(tài)的制備與探測,圓偏振抽運光與外磁場平行,線偏振探測光與外磁場垂直.銣原子磁力儀采用87Rb原子D1線躍遷制備極化態(tài)原子介質(zhì),即基態(tài)52S1/2到第一激發(fā)態(tài)的52P1/2的躍遷,對應波長為795 nm.基態(tài)52S1/2的兩個精細能級分別是52S1/2(Mj=?1/2)和52S1/2(Mj=+1/2),795 nm的左旋圓偏振光(σ+光子)可被處于52S1/2(Mj= ?1/2)基態(tài)的87Rb原子吸收,使得87Rb原子躍遷到52P1/2(Mj=+1/2)激發(fā)態(tài)上,激發(fā)態(tài)87Rb原子通過輻射光子后躍遷到52S1/2(Mj=?1/2)或52S1/2(Mj=+1/2)基態(tài)上,左旋圓偏振光持續(xù)作用將使銣泡內(nèi)絕大部分87Rb原子最終處于52S1/2(Mj=+1/2)基態(tài)上.同理,右旋圓偏振光(σ?光子)持續(xù)作用將使銣泡內(nèi)絕大部分87Rb原子最終處于52S1/2(Mj=?1/2)態(tài)上.這樣,圓偏振的抽運光完成了原子系綜極化態(tài)的制備.

這里引入二能級磁共振的經(jīng)典物理圖像來解釋NMOR銣原子磁力儀的工作原理[19].經(jīng)過抽運光作用后,極化態(tài)的87Rb原子磁矩與外磁場B近似平行或反平行.在與外磁場垂直的平面內(nèi)施加角頻率ω約等于拉莫爾進動頻率ω0的激勵磁場B′[19],原子磁矩將在實驗室坐標系中做復雜的運動,而在以角頻率ω旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標系中,原子磁矩繞B′做進動.由于銣泡內(nèi)原子間頻繁的碰撞,在激勵磁場的作用下使大部分銣原子磁矩繞外磁場進動的相位角趨于一致,原子系綜呈現(xiàn)出繞外磁場進動的宏觀磁化強度[20].原子磁矩在旋轉(zhuǎn)坐標系中進動π角度時,相當于在外磁場B量子化軸方向上原子發(fā)生了磁共振躍遷.如果激勵磁場持續(xù)作用,87Rb原子將在兩個基態(tài)能級間來回躍遷.本文NMOR銣原子磁力儀要求原子磁矩在旋轉(zhuǎn)坐標系中進動π/2角度,即原子系綜宏觀磁化強度進動到與外磁場B垂直的平面內(nèi),然后關閉激勵磁場.線偏振光可以看作是左、右圓偏振光的矢量疊加,當線偏振的探測光穿過銣泡時,由于原子對線偏振光中左、右圓偏成分不同的吸收和色散,導致線偏振光的偏振方向會隨著原子磁矩繞外磁場的拉莫爾進動而相對原來偏振方向做擺動,用差分探測方式探測偏振光偏振方向的擺動即可獲得原子磁矩拉莫爾進動自由弛豫信號,并由此信號傅里葉變換出拉莫爾進動頻率.由外磁場B與拉莫爾進動頻率f的依賴關系可獲得外磁場大小[18]:

其中γ是旋磁比.對于87Rb原子,γ/2π的值為6.99583 Hz/nT[18].

NMOR銣原子磁力儀要求探測光不能過于破壞原子系綜的極化態(tài),顯然探測光的頻率不能等于87Rb原子的D1線躍遷頻率.我們在實驗中設定探測光頻率相對于87Rb原子的D1線躍遷頻率紅失諧4 GHz.

3 實驗系統(tǒng)及測量結(jié)果

3.1 實驗系統(tǒng)

圖1 (網(wǎng)刊彩色)銣原子磁力儀裝置示意圖Fig.1.(color online)ScheMatic setup for rubidiuMatoMic MagnetoMeter.

研制的NMOR銣原子磁力儀如圖1所示.銣泡為Φ25 mm×50 mm的圓柱型氣室,氣室中充有100 Torr的氮氣緩沖氣體,采用交流無磁加熱使銣泡工作在100?C.待測外磁場B方向與抽運光方向平行,與探測光方向垂直.實驗時抽運激光被擴束為10 mm×30 mm的長方形光斑,光強為20μW/mm2;探測光為直徑2mm的圓斑,進入銣泡前光功率為100μW.原子磁力儀具體工作過程是:795 nm抽運激光經(jīng)過聲光調(diào)制器AOM和1/4玻片形成圓偏振光,擴束后作用在銣泡上,將87Rb原子磁矩抽運在與外磁場平行的方向上;抽運激光作用一段時間后關閉,用信號源給亥姆霍茲線圈輸入特定時長的正弦交變信號以產(chǎn)生原理部分描述的激勵磁場,驅(qū)動87Rb原子磁矩在與外磁場垂直的平面內(nèi)繞外磁場B做拉莫爾進動;紅失諧的探測激光經(jīng)過偏振片,成為線偏振光穿過銣泡,用偏振分光棱鏡(PBS)、光電探測器、差分放大電路、美國NI公司的PCI-5922數(shù)據(jù)采集卡和計算機中編寫的Labview程序?qū)崿F(xiàn)銣原子拉莫爾進動信號的提取及處理,得到外磁場大小.計算機可設定數(shù)字信號處理(DSP)模塊的時序組合,實現(xiàn)磁場采樣率的設定.DSP給聲光調(diào)制器AOM、信號源和PCI-5922數(shù)據(jù)采集卡輸入電平觸發(fā)信號,分別控制作用于銣泡的抽運激光開或關、正弦交變磁場開或關以及PCI-5922數(shù)據(jù)采集卡的采集觸發(fā).圖1中銣泡、銣泡加熱模塊、亥姆霍茲線圈被置于五層坡莫合金的磁屏蔽筒內(nèi),磁屏蔽筒內(nèi)含有可產(chǎn)生精密待測磁場的線圈.

3.2 測量結(jié)果

本文系統(tǒng)地研究了NMOR銣原子磁力儀的測量范圍、靈敏度、分辨率、磁場采樣率這些性能指標.在具體介紹這些內(nèi)容之前,有必要先描述原子磁力儀的時序控制過程及跟蹤式鎖頻過程.

首先介紹原子磁力儀時序控制過程.圖2顯示了NMOR銣原子磁力儀在關閉抽運光后不同時長激勵磁場的作用效果,外磁場環(huán)境為10000 nT.在原理部分描述到,如果抽運光作用結(jié)束后激勵磁場持續(xù)作用,87Rb原子將在兩個基態(tài)能級間來回躍遷.圖2(a)激勵磁場作用10 ms,反映了該物理過程.圖2(a)中插圖顯示了0.5 Ms時間內(nèi)的測試結(jié)果,一個包絡終止代表著87Rb原子在外磁場量子化軸方向上兩個基態(tài)能級間的一次躍遷.將激勵磁場作用時間設定為0.1 Ms,即原子系綜的宏觀磁化強度進動到與外磁場垂直的平面內(nèi),測試結(jié)果如圖2(b)所示,由自由弛豫過程中的正弦信號可傅里葉變換出拉莫爾進動頻率.圖3(a)顯示了NMOR銣原子磁力儀工作時的時序示意圖;圖3(b)顯示在10000 nT磁場環(huán)境下獲得的實測數(shù)據(jù),原子磁力儀的工作周期T=10ms,抽運激光作用時長t1=3 ms,激勵磁場作用時長t2=0.1Ms,該時序磁場采樣率為100 Hz;圖3(c)是圖3(b)中的部分曲線的放大.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)不同時長的激勵磁場作用效果 (a)作用10 Ms;(b)作用0.1 MsFig.2.(color on line)The eff ects of excitation Magnetic field in diff erent du ration tiMe:(a)Duration of 10 Ms;(b)du ration of 0.1 Ms.

其次介紹原子磁力儀跟蹤式鎖頻過程,該過程在Labview程序中完成.Labview程序在每一個原子磁力儀工作周期內(nèi)能夠獲得拉莫爾進動頻率和外磁場數(shù)值,將前一個工作周期中獲得的拉莫爾進動頻率設定為下一個工作周期中信號源的輸出頻率,即實現(xiàn)了跟蹤式鎖頻.本文描述的原子磁力儀跟蹤式鎖頻方法與Mz光泵磁力儀不同,即使激勵磁場振蕩頻率偏離拉莫爾進動頻率很遠,只要特定時長激勵磁場的作用能夠使原子系綜橫向磁化強度矢量不為零,本文描述的原子磁力儀就能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤式鎖頻.為了驗證跟蹤式鎖頻能力,設計這樣的實驗:設定原子磁力儀工作時序為T=100Ms,t1=30ms,t2=0.1Ms.設定激勵磁場振蕩頻率為70 kHz,對應約10000 nT的測量磁場.保持激勵磁場振蕩頻率不改變,改變線圈電流,使測量磁場從5000 nT增加至15000 nT.圖4(a)顯示激勵磁場關閉后磁力儀獲得的自由弛豫正弦信號最大振幅隨著掃描磁場的變化,可以看出在10000 nT附近自由弛豫正弦信號振幅最大.從原理上講,只要橫向磁化矢量不為零,銣泡中的銣原子就能夠?qū)€偏振光中左、右圓偏成分實現(xiàn)吸收和色散,通過差分探測獲得與磁場相關的自由弛豫正弦振蕩信號.橫向磁化矢量越大,會使自由弛豫正弦振蕩信號的振幅越大.在工作原理部分我們重點描述了激勵磁場振蕩角頻率ω約等于拉莫爾進動角頻率ω0的情況,實際上當ω與ω0相差較大時,在轉(zhuǎn)動坐標系中原子磁矩會感受一有效磁場(有效磁場的描述詳見參考文獻[19])的作用,且在轉(zhuǎn)動坐標系中磁矩進動角頻率ω1為[19]

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)原子磁力儀的時序示意圖;(b)10000 nT磁場下的實測數(shù)據(jù);(c)圖(b)中部分曲線的放大Fig.3.(color on line)(a)The scheMatic diagraMof tiMing sequence for atoMic MagnetoMeter;(b)the data Measured in the Magnetic field of 10000 nT;(c)expanded version of the curve in Fig.(b).

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)自由弛豫信號最大振幅隨著掃描磁場的變化;(b)掃描磁場過程中磁力儀輸出的磁場值;(c),(d)表示處于跟蹤式鎖頻模式下的原子磁力儀能夠?qū)?000 nT或10000 nT的躍變磁場實現(xiàn)瞬時鎖定Fig.4.(color on line)(a)The change curve between the MaximuMaMp litude of free relaxation signal and the scanning Magnetic field,the frequency of the excitation Magnetic field is set to 70 kHz;(b)theMagnetic field values of the output by atoMicMagnetoMeter in the p rocess of scanningMagnetic fields;(c)and(d)shoWthe lock capability of atoMicMagnetoMeter in tracking lock Mode by changing theMagnetic field of 1000 nT or 10000 nT.

可以分析,設定ω0=ω時特定時長的激勵磁場作用滿足π/2的脈沖效果,使橫向磁化矢量最大;而后因外界磁場改變導致ω0與ω相差較大時,在特定時長內(nèi)激勵磁場的作用效果ω1t2可能會出現(xiàn)3π/2+δ,5π/2+δ′等脈沖效果,其中δ或δ′的絕對值小于等于π/2,在轉(zhuǎn)動坐標系中該脈沖效果使原子磁矩在與外磁場垂直平面內(nèi)的投影矢量的模達到最大值,即橫向磁化矢量達到極大值,因此圖4(a)中在10000 nT兩側(cè)出現(xiàn)若干峰值也不難理解.圖4(b)顯示在上述掃描磁場過程中磁力儀輸出的磁場值,在自由弛豫正弦信號振幅最小時易出現(xiàn)與外磁場無關的數(shù)據(jù),圖4(b)中若干跳點輸出磁場值用(1)式換算成頻率,發(fā)現(xiàn)該頻率正好等于銣泡交流無磁加熱的輸出頻率.圖4(b)的實驗結(jié)果表明,如果該原子磁力儀在跟蹤式鎖頻模式下工作,在很寬的磁場范圍內(nèi)磁力儀能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時鎖定.設定磁場線圈電流使磁屏蔽筒內(nèi)磁場在10000 nT和9000 nT,或者50000 nT和40000 nT之間來回躍變,采用跟蹤式鎖頻模式,實驗結(jié)果如圖4(c)和圖4(d)所示,表明該原子磁力儀對1000 nT或10000 nT的躍變磁場能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時鎖定,分別對應著7 kHz或70 kHz的頻率躍變.上述實驗結(jié)果表明本文描述的原子磁力儀跟蹤式閉環(huán)鎖定可行,而且具有很強的閉環(huán)鎖定能力.

接下來詳細介紹NMOR銣原子磁力儀的各項性能指標.

1)磁場測量范圍

本文的NMOR銣原子磁力儀用精密電流源給磁屏蔽筒中的磁場線圈通入逐漸增加的電流I來檢驗磁場測量范圍,采用跟蹤式鎖頻模式測量外磁場B的大小,測試結(jié)果如圖5所示.原子磁力儀可響應100—100000 nT范圍內(nèi)的磁場.圖5中數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果為

從表達式(3)可知,當線圈電流I為零時,磁屏蔽筒內(nèi)有約27 nT的剩余磁場.

圖5 原子磁力儀的磁場測量范圍Fig.5.MeasureMent range of the atoMic MagnetoMeter.

2)靈敏度和分辨率

本文采用磁場噪聲功率譜密度(@1 Hz)來表征原子磁力儀的靈敏度.值得注意的是,目前一些文獻采用功率譜或者均方根幅度譜來表征原子磁力儀的靈敏度,從物理意義上來說是不準確的.功率譜密度使測量獨立于信號持續(xù)時間和采樣數(shù)量,通過功率譜密度測量可檢測信號的本底噪聲.若采用功率譜或均方根幅度譜,我們在實驗中發(fā)現(xiàn)隨著采樣時間的延長會得到更優(yōu)的靈敏度指標,顯然用于表征原子磁力儀的靈敏度指標不合理.

首先分析500 nT外磁場環(huán)境下如何獲得磁力儀的靈敏度指標.圖6(a)顯示了截取的自由弛豫正弦信號,代表經(jīng)過銣泡的線偏振探測光偏振方向的擺動.圖6(b)是圖6(a)中數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換(FFT),分析出的拉莫爾進動頻率為3.5 kHz,對應著約500 nT的外磁場.圖6(c)表示300 s時間內(nèi)采集的磁場數(shù)據(jù),磁場采樣頻率為10 Hz,磁場波動小于10 pT.圖6(c)中插圖部分顯示了4 s時間內(nèi)的磁場數(shù)據(jù),原子磁力儀的磁場分辨率為0.1 pT.圖6(d)是由圖6(c)中磁場數(shù)據(jù)處理得到的噪聲功率譜密度,用1 Hz頻點附近11個數(shù)據(jù)的平均值代表原子磁力儀的靈敏度,得到靈敏度指標為0.2 pT/Hz1/2.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)原子磁力儀在500 nT外磁場環(huán)境中的測量結(jié)果 (a)截取的自由弛豫信號;(b)信號幅度的FFT變換;(c)300 s內(nèi)測量的磁場值;(d)磁場值的噪聲功率譜密度分析Fig.6.(color on line)The resu lts for atoMicMagnetoMeterMeasured in theMagnetic field of 500 nT:(a)Free relaxation signal;(b)FFT transforMof the signal aMp litude in Fig.(a);(c)Magnetic field valuesMeasu red in 300 s;(d)analysis of noise power spectruMdensity based on Magnetic field values in Fig.(c).

本研究采用美國安捷倫科技公司的B2912 A型精密電流源產(chǎn)生待測磁場,電流源精度為10?6,當電流源輸出的量程值分別為1MA,10MA,100MA,1 A時,分別對應著1 nA,10 nA,100 nA,1μA的電流分辨率.原子磁力儀測量的磁場由電流源產(chǎn)生,因此電流源的噪聲將反映在磁力儀靈敏度指標測試中.圖7顯示了磁力儀靈敏度指標和線圈電流與外磁場大小的依賴關系.當I＞100 MA時,磁力儀靈敏度約為12 pT/Hz1/2,對應電流分辨率為1μA;當10 MA＜I＜100 MA時(圖中陰影部分),磁力儀靈敏度約為1 pT/Hz1/2,對應電流分辨率為100 nA;當1MA＜I＜10 MA時,磁力儀靈敏度約為0.2 pT/Hz1/2,對應電流分辨率為10 nA;特殊地,當I＜1 MA時,在50 nT磁場環(huán)境中磁力儀的靈敏度依舊為0.2 pT/Hz1/2,此時對應電流分辨率為1 nA.綜上所述,本文的NMOR銣原子磁力儀的極限靈敏度為0.2 pT/Hz1/2.圖7中線圈電流I與外磁場B在1 MA附近呈現(xiàn)非嚴格的線性關系,這是由磁屏蔽筒內(nèi)的剩余磁場導致的,可參考表達式(3).

3)橫向弛豫時間對磁場大小的依賴關系

原子系綜宏觀磁化強度被激勵磁場作用至與外磁場垂直的平面內(nèi),該橫向磁化強度將呈指數(shù)形式衰減,衰減函數(shù)的時間常數(shù)為橫向弛豫時間T2,即信號幅度衰減至e?1倍所需的時間[20].本文中用y=A exp(?t/T2)函數(shù)來擬合出T2.

圖8(a)顯示了500 nT磁場下的弛豫信號,此時原子磁力儀的工作周期T=100ms,抽運激光作用時長t1=30 Ms,激勵磁場作用時長t2=5 Ms.以激勵磁場關閉時為時間零點,將弛豫信號中的波峰隨時間的變化曲線繪制在圖8(b)中,通過指數(shù)擬合得到橫向弛豫時間T2為5.946 Ms.圖8(c)顯示了橫向弛豫時間隨磁場的變化,可以看出隨著磁場的增加,橫向弛豫時間逐漸減小,這是由于銣泡所在區(qū)域磁場梯度的增加導致了原子系綜宏觀磁化強度的弛豫加快.圖8(c)的實驗結(jié)果對Labview程序編寫時自由弛豫信號截取時長的設定具有重要參考意義.

4)磁場采樣率

磁場采樣率S是原子磁力儀的一項重要指標.目前國內(nèi)光泵磁力儀磁場采樣率大都小于20 Hz,而國外已出現(xiàn)磁場采樣率為100 Hz、甚至1000 Hz的原子磁力儀[18].例如美國Geometrics公司推出的G-824 A型航空銫磁力儀的采樣率達到了1000 Hz,而美國限制出口該磁力儀[18].本文的NMOR銣原子磁力儀通過設定工作周期T、抽運激光作用時長t1、激勵磁場作用時長t2,可實現(xiàn)磁場采樣率S在1—1000 Hz范圍內(nèi)可調(diào).實驗中當以1000 Hz磁場采樣率測量10000 nT附近的恒磁場時,90%的數(shù)據(jù)落在(10000±0.1)nT以內(nèi).高磁場采樣率的磁力儀可用于測量環(huán)境中低頻的交變磁場,圖9顯示了原子磁力儀測量(10000±100)nT范圍內(nèi)頻率為100 Hz交變磁場的實驗結(jié)果,測量時激勵磁場振蕩頻率固定為70 kHz.圖9(a)是原子磁力儀采集的原始數(shù)據(jù),隨著磁場的波動原始信號的最大振幅也跟著波動;圖9(b)是原子磁力儀時序示意圖,設定工作周期T=1 Ms,抽運激光作用時長t1=0.3 ms,激勵磁場作用時長t2=0.1 ms;圖9(c)顯示了測量的磁場數(shù)據(jù).

NMOR銣原子磁力儀的拉莫爾進動頻率是由自由弛豫正弦信號的快速傅里葉變換曲線擬合得到,因此磁場采樣率S的設定需要考慮與拉莫爾進動頻率相適應,必須保證有足夠多的數(shù)據(jù)能夠精確擬合出拉莫爾進動頻率.本文原子磁力儀在5000—100000 nT待測磁場范圍內(nèi)實現(xiàn)磁場采樣率S在1—1000 Hz范圍內(nèi)可調(diào),在100—5000 nT待測磁場范圍內(nèi)可設定S≤20 Hz.另外,本文描述的原子磁力儀在高磁場采樣率條件下無法使用跟蹤式鎖頻,這是因為跟蹤式鎖頻步驟是在Labview程序中實現(xiàn),而在程序流程中計算機與信號源通訊需要時間,采用跟蹤式鎖頻測量時S≤20 Hz.信號源輸出頻率為定值時磁場采樣率S可在1—1000 Hz范圍內(nèi)可調(diào),參考圖4(a)的實驗結(jié)果,適用于測量穩(wěn)定磁場附近小于1000 nT的磁場波動.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同磁場下的橫向弛豫時間分析(a)500 nT磁場下的弛豫信號;(b)橫向弛豫時間擬合;(c)橫向弛豫時間隨磁場的變化Fig.8.(color on line)Analysis of transverse relaxation tiMe in d iff erent Magnetic fields:(a)Free relaxation signal in the Magnetic field of 500 nT;(b)the fi tting of transverse relaxation tiMe;(c)the relationship between transverse relaxation tiMe and d iff erent Magnetic fields.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)1000 Hz磁場采樣率的實現(xiàn) (a)原始數(shù)據(jù);(b)時序示意圖;(c)磁場數(shù)據(jù)Fig.9.(color on line)The realization of saMp ling rate of 1000 Hz:(a)O riginal data;(b)the scheMatic diagraMof tiMing sequence;(c)the data ofMagnetic fields.

4 結(jié) 論

本文詳細地描述了NMOR銣原子磁力儀的工作原理和測量方法,系統(tǒng)地研究了測量范圍、靈敏度、分辨率、橫向弛豫時間、磁場采樣率等性能指標.實驗結(jié)果表明原子磁力儀測量范圍為100—100000 nT,極限靈敏度為0.2 pT/Hz1/2,磁場分辨率為0.1 pT,制備的銣原子極化態(tài)橫向弛豫時間在毫秒量級,磁場采樣率最高可達1000 Hz.本文用噪聲功率譜密度討論原子磁力儀的靈敏度指標時考慮了精密電流源的電流噪聲,該做法對磁力儀的靈敏度指標標定具有借鑒意義.本文原子磁力儀的若干性能指標在國內(nèi)以及國際上都具有先進性.除了上述列出的性能指標外,磁力儀的空間分辨率也是磁力儀的一項重要指標,而本研究采用Φ25 mm×50 mm的圓柱型氣室,體積較大,下一步可研究微型原子氣室的原子磁力儀.本研究的原子磁力儀在生物醫(yī)學、基礎物理研究方面具有潛在的應用前景.

本文所描述的原子磁力儀實驗裝置是在浙江工業(yè)大學林強教授及其團隊老師吳彬、鄭文強、程冰,以及浙江科技學院李曙光副教授的幫助下搭建完成的,上述研究人員在作者搭建原子磁力儀過程中給予了諸多技術資料、技術協(xié)助和有益討論.作者本人現(xiàn)場參觀了浙江工業(yè)大學的原子磁力儀裝置,從中獲得啟發(fā),完成了本文的研究內(nèi)容.作者對林強教授團隊表示由衷的感謝.

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?Corresponding author.E-Mail:Miaopeixian@163.com

Rub id iuMatoMic MagnetoMeter based on puMp-p robe non linear Magneto-op tical rotation

Miao Pei-Xian?Yang Shi-Yu Wang Jian-Xiang Lian Ji-Qing Tu Jian-Hui Yang Wei Cui Jing-Zhong

(Lanzhou Space Technology Institute of Physics,Science and Technology on VacuuMTechnology and Physics Laboratory,Lanzhou 730000,China)

6 Ap ril 2017;revised Manuscrip t

25 May 2017)

We report a rubidiuMatoMicMagnetoMeter based on puMp-probe nonlinearMagneto-op tical rotation.The rubidiuMvapor cell is p laced in a five-layer Magnetic shield With inner coils that can generate uniforMMagnetic fields along the direction of puMp beam,and the cell is also p laced in the center of a Helmholtz coil that can generate an oscillating Magnetic field perpendicular to the direction of puMp beam.The atoMs are op tically puMped by circularly polarized puMp beaMalong a constant magnetic field in a period of time,then the puMp beaMis turned off and aπ/2 pulse of oscillating magnetic field for87Rb atoMs is app lied.A fter the above p rocess,the individual atoMic magnetic moments becoMe phase coherent,resu lting in AtransverseMagnetization vector precessing at the LarMor frequency in theMagnetic field.The linearly polarized probing beaMis perpendicular to the direction ofmagnetic field,and can be seen as a superposition of the left and right circularly polarized light.Because of the diff erent absorptions and dispersions of the left and right circularly polarized light by rubidiuMatoMs,the polarization direction of p robing beaMrotateswhen probing beaMpasses through rubidiuMvapor cell.The rotation of the polarization is subsequently converted into an electric signal through a polarizing beaMsp litter.Finally,the decay signal related to the transverseMagnetization vector isMeasured.The LarMor frequency p roportional to Magnetic field is obtained by the Fourier transforMof the decay signal.The value ofmagnetic field is calculated froMthe formula:B=(2π/γ)f,where γ and f are the gyromagnetic ratio and LarMor frequency,respectively.In order toMeasure theMagnetic field in a Wide range,the tracking lock Mode is p roposed and tested.The atoMicMagnetoMeter can track themagnetic field juMp of 1000 nT or 10000 nT,indicating that the atoMicmagnetometer has strong locking ability and can be easily locked after start-up.

The Main perforMances in diff erent Magnetic fields are tested.The results shoWthat the MeasureMent range of the atoMic magnetometer is froM100 nT to 100000 nT,the extreme sensitivity is 0.2 pT/Hz1/2,and the magnetic field resolution is 0.1 pT.The transverse relaxation tiMes of the transverse Magnetization vector in diff erent Magnetic fields are obtained,and the relaxation tiMe decreases With the increase of the Magnetic field.When the MeasureMent range is froM5000 nT to 100000 nT,themagnetic field saMp ling rate of the atoMicmagnetometer can be ad justed in a range froM1 Hz to 1000 Hz.The atoMic MagnetoMeter in high saMp ling rate can Measure weak alternating Magnetic field at loWfrequency.This paper provides an iMportant reference for developing the atoMic MagnetoMeter With large measurement range,high sensitivity and high saMp ling rate.

atoMic magnetometer,nonlinear magneto-optical rotation,sensitivity,magnetic field samp ling rate

10.7498/aps.66.160701

?通信作者.E-Mail:Miaopeixian@163.com

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn