無盲區(qū)銫光泵磁力儀研究

郭立新　王羚

摘 要： 本文設(shè)計(jì)了一種銫光泵磁力儀探頭，這種探頭采用單光源和4個(gè)原子吸收室的設(shè)計(jì)，可以克服Mz結(jié)構(gòu)、Mx結(jié)構(gòu)以及Bell-bloom結(jié)構(gòu)等類型光泵磁力儀所固有的盲區(qū)特性。當(dāng)光泵磁力儀探頭與磁場之間的夾角在一定范圍時(shí)，磁力儀獲取不到信號，產(chǎn)生盲區(qū)，本探頭結(jié)構(gòu)對任意方向的磁場均能正常工作，且采用單光源與凹面鏡的設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小的技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 盲區(qū);光泵磁力儀;Cs原子

0 引言

光泵原子磁力儀是通過測量原子磁矩在靜磁場中的拉莫爾進(jìn)動頻率來測量靜磁場的一種磁場標(biāo)量測量儀器[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，通過檢測原子氣體對共振光吸收系數(shù)來檢測磁矩進(jìn)動效應(yīng)。

堿金屬或氦原子能級在弱磁場中產(chǎn)生塞曼分裂，能級分裂大小與磁場大小成正比。在熱平衡條件下，各塞曼子能級遵從波爾茲曼分布，各能級接近均勻分布。在光泵浦作用下，特定偏振狀態(tài)的光被工作原子吸收，原子對光的吸收在滿足能量守恒的同時(shí)還受到選擇定則的約束，原子熱平衡狀態(tài)在光泵浦作用下被打破而產(chǎn)生一定的自旋取向，在光傳播方向上形成宏觀磁矩。宏觀磁矩使原子在磁場中受到力矩作用，其圍繞磁場作拉莫爾進(jìn)動，進(jìn)動頻率與磁場成正比，可表示為ω=γB，γ為旋磁比。利用射頻線圈產(chǎn)生的射頻頻率與拉莫爾頻率產(chǎn)生共振的方法，或者利用對激光波長、強(qiáng)度或偏振態(tài)的調(diào)制頻率與拉莫爾頻率產(chǎn)生共振的方法，通過信號檢測系統(tǒng)獲取拉莫爾頻率，根據(jù)其與磁場的正比例關(guān)系，得到磁場大小[2-3]。

以磁場方向?yàn)閦方向，磁場與光傳播方向的夾角用θ表示，信號大小與θ角相關(guān)。對于Mz結(jié)構(gòu)光泵原子磁力儀，信號大小與cos2θ成正比，當(dāng)θ=0o、180o時(shí)，信號最大，而當(dāng)θ=90o、270o時(shí)，信號為0，產(chǎn)生盲區(qū)。對于Mx結(jié)構(gòu)光泵原子磁力儀，信號大小與sinθcosθ成正比，當(dāng)θ=45o、135o、225o、315o時(shí)，信號最大，而當(dāng)θ=0o、90o、180o、270o時(shí)，信號為0，產(chǎn)生盲區(qū)。對于Bell-bloom結(jié)構(gòu)光泵原子磁力儀，信號大小與sin2θ成正比，當(dāng)θ=90o、270o時(shí)，信號最大，而當(dāng)θ=0o、180o時(shí)，信號為0，產(chǎn)生盲區(qū)[4-5]。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于待測磁場未知，當(dāng)磁場與儀器間的角度處于或接近盲區(qū)時(shí)，導(dǎo)致信號很小甚至沒有信號，需要不斷調(diào)節(jié)儀器方位。本文設(shè)計(jì)了一種單光源四吸收室結(jié)構(gòu)的銫原子光泵探頭，該結(jié)構(gòu)對任意方向的磁場均能正常工作，且采用單光源與凹面鏡的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單。

1 工作原理

在沒有光泵浦作用時(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，對于左旋圓偏振光只有滿足ΔmF=+1的兩個(gè)塞曼子能級間可以產(chǎn)生躍遷，因此基態(tài)Fg=3的粒子數(shù)會被泵浦至激發(fā)態(tài)Fe=4上磁量子數(shù)高的能級上。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，粒子會通過自發(fā)輻射回落到基態(tài)Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能級上?；芈涞交鶓B(tài)Fg=3上的粒子會由于光泵浦作用繼續(xù)被泵浦至磁量子數(shù)高的能級上。最終Fg=3上的粒子數(shù)會被抽空，全被泵浦至Fg=4線上，并且在|Fg=4，mF=4>塞曼子能級上的粒子數(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，極化過程相反。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2、3所示，本文設(shè)計(jì)的光泵原子磁力儀探頭，包括凹面9、原子光譜燈3、光電探測器1以及四個(gè)單元;光電探測器1和原子光譜燈3均位于凹面鏡9的主軸上，兩者與凹面鏡9的距離分別為v、u，u

每個(gè)單元從原子光譜燈3方向到光電探測器1的方向依次包括共軸布置的凹透鏡8、偏振片7、1/4波片6、原子吸收室5以及凸透鏡4;由于遮擋，從原子光譜燈3發(fā)出的光線不能直接被光電探測器1接受，而是經(jīng)過凹面鏡9反射后經(jīng)過單元后被光電探測器1檢測，原子光譜燈3與光電探測器1需滿足凹面鏡成像條件1/u+1/v=2/R，因此，光電探測器1可在像點(diǎn)處進(jìn)行探測。從凹面鏡9反射入各單元的光線會聚于光電探測器1，為了使光線在進(jìn)入吸收室5之前變?yōu)槠叫泄?，凹透鏡8滿足條件S2=f2其中，S2為凹透鏡8與光電探測器1之間的距離，f2為凹透鏡8的焦距），平行光束經(jīng)過偏振片7與1/4波片6變?yōu)樘囟▓A偏振光，這種圓偏振光使原子吸收室5中的原子極化，產(chǎn)生宏觀磁矩，宏觀磁矩繞外磁場作拉莫爾進(jìn)動（進(jìn)動頻率與磁場大小成正比），采用射頻場或者對入射光進(jìn)行調(diào)制等與原子氣體產(chǎn)生共振的方法，通過光電探測器1的檢測即可以獲取拉莫爾進(jìn)動頻率和磁場大小信號。為了使經(jīng)過原子吸收室5后的光線被光電探測器1有效檢測，凸透鏡4滿足條件S1=f1，其中，S1為凸透鏡4與光電探測器1的距離，f1為凸透鏡4的焦距。分別為第一、二、三、四單元光路主軸線，其與凹面鏡9成像主軸的夾角均為θ=20°。在這種情況下，如果外界磁場與O1間的夾角（如Mx結(jié)構(gòu)，夾角在0o附近）形成盲區(qū)，第一單元不能產(chǎn)生有效信號，但在其他單元可以產(chǎn)生有效信號，因而能夠消除測試盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)方向上磁場的測量。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種單光源和四個(gè)原子吸收室結(jié)構(gòu)的探頭，單一光源經(jīng)凹面鏡反射成像與4個(gè)原子吸收室相互作用，經(jīng)過4個(gè)吸收室的光線會聚于同一光電探測器上，凸透鏡、原子吸收室、1/4波片、偏振片和凹透鏡的主軸方向與凹面鏡的主軸方向的夾角θ=200，凹透鏡離光電探測器的距離S2與凹透鏡的焦距f2滿足S2=f2，凸透鏡離光電探測器的距離S1與凸透鏡的焦距f1滿足S1=f1，這種結(jié)構(gòu)能克服光泵磁力儀的盲區(qū)特性。

參考文獻(xiàn)

[1] Happer W. Optical Pumping[J]. Rev. Mod. Phy， 1972. 44（2）：169-249.

[2] Arnold L. Bloom. Principles of Operation of the Rubidium Vapor Magnetometer[J]. Applied Optics， 1962. 1（1）：61-68.

[3] William E. Bell， Arnold L. Bloom. Optically Driven Spin Precession[J]. Physical Review Letters， 1961. 6（6）：280-281.

[4] S. Groeger， G. Bison， A. Weis. Design and Performance of Laser-Pumped Cs-Magnetometers for the Planned UCN EDM Experiment at PSI[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology， 2005. 110（3）：179-183.

[5] 張軍海，向康，梅紅松，等. 全光高靈敏度Bell-Bloom磁力儀的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化[J]. 光電子. 激光， 2015. 26（2）：211-216.