双光束抽运对全光Cs原子磁力仪灵敏度的影响

刘 强，张晓雨，刘 超，付天舒，刘东明，孙 鉴，夏长超

（1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆163318；2.东北石油大学 黑龙江省高校校企共建测试计量技术与仪器仪表研发中心，黑龙江 大庆163318）

引言

全光铯（Cs）原子磁力仪是利用光磁双共振技术实现微弱磁场检测，由于该方法光学结构相对简单，工作温度要求较低，使其更容易小型化，并且目前报道的磁测量灵敏度在实验室的条件下已经超过超导磁力仪，达到0.16fT／Hz1／2，小型化的原子磁力仪灵敏度也同样接近超导磁力仪的水平［1－3］。因此，全光原子磁力仪得到科研机构的广泛关注，并尝试用于传统的磁测量领域，如考古、心磁和脑磁测量，无损检测等［4－5］。

目前，已经利用非线性磁光旋转效应［6］、相干布居囚禁技术［7］、单光束光强吸收特性［8］、推挽式光抽运技术［9］、无自旋交换弛豫（SERF）效应［2］等实现了高灵敏度原子磁力仪，并不断设计新结构优化原子磁力仪的灵敏度［10－11］。但高灵敏度的原子磁力仪通常需要将原子气室加热至较高的温度，这在一定程度上增加了系统的复杂性和功耗。为此，研究了基于Cs原子的原子磁力仪，并且在较低的温度下即可达到较高的灵敏度［12］。实验中发现，当抽运光的频率锁定在不同的超精细共振线时，原子磁力仪的特性曲线存在较大差异，说明抽运光的工作频率决定了原子磁力仪的灵敏度。为此，本文从理论和实验上分析了双光束抽运方法，证实此方法可有效提高原子磁力仪的灵敏度。

1 基本原理

原子磁力仪的工作原理通常是采用线偏振光检测被极化的原子在磁场中的拉莫进动频率，原子的极化率直接影响磁力仪的灵敏度。因此，为提高原子磁力仪的输出信号幅度，需有效提高抽运光作用下的原子极化率。Cs原子D1线超精细能级结构如图1所示。

图1 Cs原子D1超精细能级结构Fig.1 Hyperfine structure of Cs D1 transition

基态和激发态的超精细能级间隔分别为9.192GHz和1.167GHz，当 Cs原子处于弱磁场中时，由于塞曼效应，各超精细能级将分裂成2F＋1个磁子能级，相邻2个磁子能级的能级间隔为gμB，其中g指朗德因子，μ为玻尔磁子，B为外加磁场值。由于外加磁场通常较小，因此这里忽略磁子能级之间的能级间隔。

当采用线宽为10MHz，波长为894.6nm的外腔半导体激光器照射纯Cs原子气室，连续调节激光器的工作频率将观察到4个共振透射谱，分别对应F＝4→F′＝3，F＝4→F′＝4，F＝3→F′＝3，F＝3→F′＝4共振跃迁线，受多普勒增宽和自然线宽的限制，每个光谱线宽约为500MHz，如图2虚线所示。原子磁力仪中Cs原子气室内需充入缓冲气体氦（He），避免被极化的原子与气室内壁碰撞导致原子退极化。同时缓冲气体的存在将导致Cs原子与缓冲气体原子发生碰撞，导致压致增宽效应，实验采用的Cs原子气室内充入13 332.2Pa的He缓冲气体，由压致增宽系数可知［13］，该压强下透射谱线宽将增宽至2.62GHz，而Cs原子激发态的超精细能级间隔仅为1.167GHz，因此压致增宽效应将导致F＝4→F′＝3和F＝4→F′＝4共振线合并，F＝3→F′＝3和F＝3→F′＝4共振线合并，如图2实线所示。此时，若将抽运光频率锁定在F＝4→F′＝3线，将同时导致F＝4→F′＝4线共振原子跃迁，如图1虚线所示。根据跃迁选择定则，处于基态F＝4各磁子能级上的原子经抽运和激发态自发辐射，被抽运至｜F＝4，mF＝4＞和F＝3态的各磁子能级，导致各磁子能级原子数的不均匀分布，原子被极化。同理，若将抽运光频率锁定在F＝3→F′＝4线，将同时导致F＝3→F′＝3线共振原子跃迁，如图1实线所示，处于基态F＝3各磁子能级上的原子被抽运至F＝4态的各磁子能级。而理想的极化状态是将基态各磁子能级原子全部抽运至｜F＝4，mF＝4＞态，由此可知，当采用单光束抽运时，无论抽运光的频率锁定在哪条超精细共振线，均无法达到最佳极化效果，为此若采用双光束抽运的方法，同时产生F＝4→F′＝3，4和F＝3→F′＝3，4跃迁，将有效提高原子极化率。为清晰解释双光束抽运时基态和激发态各磁子能级上粒子数的演变过程，可以采用速率方程进行推算。

图2 Cs原子气室的透射谱Fig.2 Transmission spectra of Cs vapor cell

式中：PF，mF表示基态各磁子能级相对粒子数，初态时粒子数均匀分布在各磁子能级，每个磁子能级相对粒子数为1／16；QF′，mF′表示 激 发 态各磁子能级相对粒子数，初始时刻粒子数均为零；Ipump表示抽运光强；Isat表示饱和光强，取Ipump／Isat＝4；γ指上能级弛豫速率，取γ＝10MHz，Δ指频率失谐量，取表示相对跃迁几率。室温环境下自旋交换碰撞、自旋破坏碰撞等因素引起的总弛豫速率通常远小于γ，因此在推算过程中忽略弛豫效应的影响。

图3 双光束抽运下各磁子能级上粒子数变化的动力学过程Fig.3 Population dynamics of magnetic sublevels as double pumping

图3给出了双光束抽运下基态和激发态各磁子能级上粒子数变化的动力学过程。从图3（a）中可见激发态F′＝4各磁量子数较小的子能级上粒子数具有相同的动态行为，初始时刻粒子数均为零，在左旋圆偏振抽运光的驱动下快速上升，随后由于自发辐射逐渐衰减为零，而｜F′＝4，mF＝3＞和｜F′＝4，mF＝4＞两个磁子能级上的粒子数初始时刻快速上升，而后继续缓慢增加至极大值后衰减为零，这是由于采用双光束抽运的结果，稳态下激发态上不存在粒子数布居。根据跃迁选择定则，｜F′＝4，mF＝－4＞磁子能级上粒子布居数始终为零。图3（b）给出激发态F′＝3各磁子能级上粒子数变化的动力学过程，与F′＝4磁量子数较小子能级上粒子数变化的趋势相同，但粒子数布居的峰值较小，这主要取决于相对跃迁几率。由图3（c）和（d）可知，初始时刻基态F＝3和F＝4各磁子能级上粒子数相等，均为1／16，在左旋圆偏振光σ＋作用下F＝3和F＝4上的粒子被抽运至激发态，随后再自发辐射回基态F＝3和F＝4态，持续的σ＋光抽运导致F＝3各磁子能级粒子数完全被抽运至F＝4态，稳态下不存在粒子数布居。对于｜F＝4，mF＝4＞磁子能级，根据跃迁选择定则，该子能级上的粒子不受σ＋抽运光的作用，而激发态的自发辐射会使其粒子数不断增加，最终将基态F＝3和F＝4上各磁子能级上的粒子完全抽运至｜F＝4，mF＝4＞态，由粒子数分布可推知此时F＝4态的原子极化率等于1，原子被完全极化［14］。但由于Cs－Cs原子的碰撞和Cs－He原子碰撞引起的弛豫，导致原子无法实现理想的完全极化，极化过程与弛豫过程将达到一种动态平衡，此时原子极化率达到最大值。

2 实验装置与测量结果

为验证理论分析的正确性，实验选用直径为3cm，充入13 332.2Pa He缓冲气体的球型Cs原子气室搭建全光原子磁力仪，实验装置如图4所示。Cs原子气室安装在正方形加热室中，为消除磁干扰，采用热气流加热方式使气室工作在36℃。将此加热室置于亥姆霍兹线圈中，并保证气室位于亥姆霍兹线圈中心，采用高稳电流源驱动线圈，使其在y方向产生100nT的微弱磁场。为消除环境磁噪声和地磁场，将气室置于坡莫合金制成的屏蔽系数为10－5的三层磁屏蔽筒中。激光器1和激光器2作为抽运光，采用波长为894.6 nm，线宽为10MHz的外腔半导体激光器［15］，并利用饱和吸收谱将输出频率分别锁定在Cs原子D1线的F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4共振线处，输出光强均为6mW／cm2。两束光经半反半透镜合光束后射入电光幅度调制器，函数信号发生器产生方波信号驱动电光调制器，使抽运光光强被方波调制。被调制的抽运光进入磁屏蔽筒，经反射镜、偏振片和λ／4波带片变成圆偏振光后照射Cs原子气室。检测光选用波长为852.3nm的外腔半导体激光器，检测光强为0.2mW／cm2，工作频率锁定在Cs原子D2线F＝4→F′＝5共振线，经偏振片变成线偏振光后通过Cs原子气室，检测装置采用λ／4和PBS组成的光学系统检测Cs原子的圆二向色性，最后经光电探测器D1和D2、信号处理后送入锁相放大器和示波器。

图4 原子磁力仪实验原理图Fig.4 Experimental schematic diagram of atomic magnetometer

锁相放大器输出的同相信号如图5所示，横轴代表电光调制器的调制频率，纵轴代表磁力仪输出信号幅度。由图可见曲线峰值处的横坐标约为350Hz，根据ω＝κB，其中ω指拉莫进动频率，κ指旋磁比，对于Cs原子κ＝3.5Hz／nT，B指Cs气室所在位置的y轴方向磁场值，可知此时磁场值为100nT，因此扫描抽运光调制频率，通过读取峰值处的横坐标即可实现磁场测量。当采用单光束抽运时，抽运光频率分别锁定在F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4共振线时的输出信号峰值幅度分别为1.75V和3.14V。而采用双光束抽运时，输出信号峰值达到4.21V，对比双光束抽运和频率锁定在F＝3→F′＝4共振线时的单光束抽运结果可知，磁力仪输出信号幅度提高了34%。由于抽运光与检测光传播方向垂直，探测器受抽运光散粒噪声的影响较弱，可忽略第2束抽运光强产生的噪声，因此根据原子磁力仪灵敏度的评价公式［16］，双光束抽运改善了磁力仪输出信号的信噪比。同时，由图5可见，磁力仪响应曲线的线宽并未显著增宽，若忽略线宽的微小变化，双光束抽运将原子磁力仪的灵敏度提高了34%。

图5 原子磁力仪响应特性曲线Fig.5 Response curve of atomic magnetometer

3 结论

本文介绍了双光束同时抽运提高原子磁力仪灵敏度的方法，从理论上分析了两束抽运光频率分别锁定在Cs原子D1线F＝4→F′＝3和F＝3→F′＝4时，Cs原子基态和激发态各磁子能级上粒子数变化的动力学过程，分析结果表明持续的光抽运，导致基态F＝3和F＝4各磁子能级上的粒子被完全抽运至｜F＝4，mF＝4＞态，原子极化率达到极大值，从而有效提高原子磁力仪灵敏度。同时，实验结果证明双光束抽运有效提高了原子磁力仪输出信号的信噪比，使原子磁力仪的灵敏度提高34%。

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