基于激光源的高准确度He-Cs光泵磁力仪研究

石 铭

(1.中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北 宜昌 443003；2.国防科技工业弱磁一级计量站，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

光泵原子磁力仪(OPM)是通过测量原子磁矩在静磁场中的拉莫尔进动频率来测量静磁场的一种磁场标量测量仪器[1]。共振光源用于极化原子使原子自旋取向产生宏观磁矩，然后，通过检测原子气体对共振光吸收系数来检测磁矩进动效应。光泵原子磁力仪的早期研究可以追溯到上世纪六十年代[2,3]，当时主要采用原子光谱灯作为泵浦光源。近年来，随着微加工工艺和小型半导体激光器研究的进展，采用激光作为泵浦光源的光泵原子磁力仪又成为研究热点[4-6]。

对于传统的光泵原子磁力仪，He或碱金属原子能级在特定圆偏振光的直接作用下，受能量守恒与选择定则的约束，其在磁场中形成的塞曼子能级间的平衡被打破，从而产生了原子的自旋极化及原子宏观磁矩。在光磁共振模式下，由射频线圈产生频率为ωrf的波动磁场，该射频场驱动塞曼子能级间的跃迁，破坏了自旋极化，当ωrf等于拉莫尔进动频率时，达到共振增强的效果[7]。这是目前光泵原子磁力仪所广泛采取的方法。这种通过光与原子直接作用检测原子在磁场中的拉莫尔频率来测量磁场的方法，可以实现pT甚至以下量级的测试灵敏度，然而，由于原子共振频率在泵浦光源的作用下会产生频移，其磁场测试准确度并不高，比如美国GEOMETRICS公司的G882 海洋磁力仪，其磁场测试准确度为3nT，远低于质子磁力仪0.1nT的测试准确度。为了提高光泵磁力仪的测试准确度，可以采取碱金属与He原子混合泵浦的模式：首先，碱金属在泵浦光源的作用下产生极化；其次，通过碱金属原子与He原子的自旋交换作用使He原子极化；然后，通过检测亚稳态He原子在磁场中的拉莫尔进动频率以实现磁场测量。S. P. Dmitriev[8]等研究了采用原子光谱灯作为泵浦光源的碱金属-He磁力仪，研究表明其磁场测试准确度能达到0.01nT量级。

相比于使用原子光谱灯作为泵浦光源，半导体激光器表现出体积小、功耗低、线宽窄、波长单一等特点。S. Groeger等人对比研究了使用原子光谱灯和半导体激光器作为泵浦光源的Cs原子磁力仪[9]，在相同的处理电路和制备工艺下，采用半导体激光器作为泵浦光源灵敏度更高。

本文采取锁定于Cs原子D1线Fg=4→Fe=3跃迁能级的894 nm激光与填充有Cs原子和4He原子的吸收室相互作用的方法，通过光源与Cs原子的相互作用而极化Cs原子，然后通过Cs原子与4He原子的自旋交换作用使4He原子极化。文中分析了该方法的基本原理，并设计了信号检测与处理电路以实现其对拉莫尔频率的检测。

1 工作原理

在没有光泵浦作用时，133Cs原子基态Fg=3和Fg=4上的粒子数均匀分布，没有极化效果(如图1所示)。当有一束频率为D1线Fg=3→Fe=4的左旋圆偏振光与铯原子作用时，根据跃迁选择定则，对于左旋圆偏振光只有满足ΔmF=+1的两个塞曼子能级间可以产生跃迁，因此基态Fg=3的粒子数会被泵浦至激发态Fe=4上磁量子数高的能级上。由于激发态不稳定，粒子会通过自发辐射回落到基态Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能级上。回落到基态Fg=3上的粒子会由于光泵浦作用继续被泵浦至磁量子数高的能级上。最终Fg=3上的粒子数会被抽空，全被泵浦至Fg=4线上，并且在|Fg=4,mF=4>塞曼子能级上的粒子数最多。从而使Fg=4态上的粒子数分布不均匀，实现原子自旋的极化。而在右旋圆偏振光作用下，极化过程相反。

图1 Cs原子的超精细能级结构在外磁场中的 塞曼能级分裂及其在D1线Fg=3→Fe=4左旋圆偏振光作用下泵浦过程

Cs原子在特定光源作用下被极化后，与Cs原子混合在一起的4He原子可通过与Cs原子的自旋交换作用实现极化。图2所示为4He原子能级示意图，由于4He原子在基态时角动量J=0，不能被极化，因此，实际工作中，通过激励电路使4He原子从基态激发到亚稳态，亚稳态角动量J=1，在外部磁场中分裂为mj=-1，mj=0，mj=1三个能级。在没有其他外界干扰时，亚稳态三个子能级均匀分布，而在4He原子与极化了的Cs原子自旋交换作用下，使得4He原子亚稳态能级均匀分布被打破，从而产生极化。通过检测极化了的4He原子在磁场中进动的拉莫尔频率ωL，再由磁场与拉莫尔进动频率的正比例关系(ωL=γB)得到磁场大小。

图2 He原子能级示意图

2 系统设计

系统主要由激光器及控制电路、光学组件、He-Cs气室、光电二极管、激励电路与检测电路等组成，如图3所示。激光控制电路控制激光器的输入电流和加热功率，用于调节激光器的输出波长并保持其稳定性。光学组件用于使输出的激光准直、滤光和产生偏振。亚稳态激励电路用于使He-Cs气室中的4He原子变成亚稳态。当形成共振时，4He原子的极化被破坏，由于Cs原子与4He原子的自旋交换作用，Cs原子极化也会降低，这样Cs原子对激光的吸收系数会增加，相应的透射光强会产生极值。当激光信号经He-Cs气室由光电二极管接受转化为电信号，电信号经跨阻放大和解调器解调后，可以得到鉴频信号用于判断是否产生共振，由控制器控制调制信号的大小直到形成共振。根据产生共振的频率信号即可以推导出原子自旋拉莫尔进动频率，再由磁场与拉莫尔进动频率的正比例关系得到磁场大小。

图3 装置工作示意图

3 信号分析与处理

4He原子经过与Cs原子的自旋交换作用达到平衡时，在激光方向上(z方向)形成宏观磁矩M0，当存在外界磁场B时，原子磁矩M受到力矩的作用，磁场对M的力矩为：

τ=M×B

(1)

角动量随时间的变化率等于力矩，其改变的方向沿力矩方向，即：

(2)

由P=M/γ，即：

(3)

γ为4He原子旋磁比，考虑驰豫作用和光极化作用，可以表示为如下矩阵形式：

(4)

T1和T2分别为横向和纵向驰豫时间，τp为光抽运时间，根据上式，可以得到：

(5)

其中，Brf为射频磁场幅值，ωrf为射频磁场频率，1/S1=1/T1+1/τp，1/S2=1/T2+1/τp。由光电探测器检测的透射光强与Mz成正比，因此信号可以表示为如下图所示的洛伦兹线形曲线：

图4 4He原子共振吸收谱线

由图可知，当ωrf=ωL时形成共振，吸收曲线产生极值，为了通过电路读取共振频率信号，对射频信号进行调制，表示如下：

(6)

ωd和ωm分别为调制深度和调制频率，通过泰勒展开可知在信号中包含调制频率的各次谐波信号，其中基波信号线形为原始信号求导所得，如图5所示。以调制频率的倍频信号作为参考信号，基波信号可以通过锁相放大器的解调获取。当ωrf=ωL时，基波信号为0，因此，可以通过反馈控制电路使基波信号锁定于0点，形成共振，再由产生共振时的射频频率大小，即可以得到外界磁场大小B=ωL/γ。

图5 基波信号曲线

4 结 语

本文研究了采用泵浦光源极化Cs原子而间接极化4He原子的方法，通过检测He原子在磁场中拉莫尔频率而测量磁场。这种设计方法可以避免He原子与光源直接作用产生的光频移，能够减小共振线宽和实现高准确度磁场测量。通过理论分析，设计了设备结构和信号处理系统，以获取系统拉莫尔共振频率，从而得到外磁场大小。