可芯片化的激光抽运Mz型原子磁强计参数研究

范雪琴，田 原，张 奕，李松松，陈杰华

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071)

0 引言

原子磁强计利用光与原子作用来测量磁场，具有灵敏度高的优点，在空间探测[1]、水下目标发现[2]和地磁导航[3]等方面有广泛应用。根据实现原理不同，原子磁强计分为光学-射频双共振原子磁强计[4-5]、相干布居囚禁磁强计[6-7]、无自旋交换弛豫磁强计[8-9]和非线性磁光旋转磁强计[10-11]等。其中光学-射频双共振原子磁强计发展最为成熟，已形成产品，并在反潜、探矿和导航等场合实现应用[12]。

光学-射频双共振原子磁强计利用原子的超精细能级在外磁场作用下发生分裂形成多个Zeeman子能级，且相邻Zeeman子能级裂距与外磁场大小成正比。当原子被光场极化后，施加一个射频场，当射频频率与原子相邻Zeeman子能级裂距频率一致时，可以观测到磁共振现象，此时通过磁共振信号可以获得相邻Zeeman子能级裂距频率，从而反推出磁场大小，实现磁场测量。根据磁共振信号探测方式的不同，光学-射频双共振原子磁强计分为Mx型和Mz型，Mx型磁场响应速度更快，而Mz型磁场测量准确度更高[13]。根据光源的不同，光学-射频双共振原子磁强计又分为光谱灯抽运型和激光抽运型，激光抽运型使用半导体激光器，相比光谱灯抽运型，可以实现更小体积和更低功耗。

国内仅有的光学-射频双共振原子磁强计产品属于Mx型，采用光谱灯抽运，探头体积大于500cm3，功耗大于20W，灵敏度小于1pT/Hz1/2@1Hz，测量范围为10μT～100μT；而国外激光抽运Mz型原子磁强计产品灵敏度达1pT/Hz1/2@1Hz，测量范围为1μT～100μT，但探头体积小于20cm3，功耗小于3W，且该产品对我国禁运[12]。

本文介绍了在实验平台上开展的激光抽运Mz型原子磁强计的研究工作，并对影响磁共振信号质量的激光功率和射频场强度进行了实验研究，获得了研制原理样机的相关实验参数；还介绍了已经实现的激光抽运Mz型原子磁强计原理样机，并对样机中射频线圈在原子气室空间内形成的磁场的场强均匀性进行了仿真分析。

1 实验原理及装置

在激光抽运Mz型原子磁强计中，激光与原子作用的原理如图1所示。工作原子采用87Rb原子，在外加弱磁场下，原子能级发生Zeeman分裂，基态能级Fg=1和Fg=2发生如图1所示的Zeeman子能级分裂。基态相邻Zeeman子能级之间的分裂频率ω0=γB0，其中，87Rb原子的基态旋磁比γ=7kHz/μT，B0为待测磁场。采用波长对应87Rb原子D1线(52S1/2→52P1/2)的左旋圆偏振光场与87Rb原子作用，激发|Fg=2,mF= -2>→|Fe=2,mF=-1>、|Fg=2,mF=-1>→|Fe=2,mF=0>、|Fg=2,mF=0>→|Fe=2,mF=+1>和|Fg=2,mF=+1>→|Fe=2,mF=+2>跃迁，使得大量原子积聚在|Fg=2,mF=+2>能态上，原子不再吸收光场。此时，在垂直于光场传播方向上施加一个射频场，当射频频率在ω0附近时，由于磁偶极相互作用，处于|Fg=2，mF=+2>能态上的原子数在基态Zeeman子能级之间重新分布，原子吸收光场增加，发生磁共振现象，由得到的磁共振谱线中心所对应的射频频率就可反推出待测磁场的大小。

图1 圆偏振激光场与87Rb原子对应能态作用原理图(52S1/2→52P1/2对应87Rb原子D1线，Fg和Fe分别表示87Rb原子基态和激发态，mF为磁量子数)Fig.1 Schematic diagram of interaction between the circularly polarized laser field and the energy state of87Rb atom(52S1/2→52P1/2corresponds to D1line of87Rb atom, Fgand Ferespectively represent the ground state and excited state of87Rb atom, and mFis the magnetic quantum number)

实验装置如图2所示。光源为纵腔面发射半导体激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，输出波长为794.979nm的线偏振发散光束。激光波长随激光器驱动电流的变化率为0.6nm/mA，随温度的变化率为0.06nm/K，为保证激光频率的稳定性，实验中对电流和温度的控制精度分别为1×10-4mA和1mK。透镜将发散光束会聚为光斑直径约2mm的平行光束，平行光束经过光学衰减片被衰减至合适的光强，λ/4波片将线偏振光转换为圆偏振光并与原子气室内原子相互作用。利用光电探测器(Photodetector，PD)探测透过气室的激光光强。原子气室为直径2cm、厚度1cm的圆柱形玻璃泡，泡内充有工作原子87Rb以及缓冲气体氮气和甲烷，缓冲气体可以减小原子与泡壁的碰撞几率。为了保证气室中有足够多的原子与激光作用，一般要对气室进行加热，但温度过高会导致原子退相干，增宽磁共振谱线。结合实验中所采用的气室压强大小和缓冲气体配比，测得气室的最佳工作温度为66℃。通过在气室周围环绕双绞线加热丝，在紧贴气室处设置热敏电阻监控气室温度，并设置PID反馈电路对气室控温至66℃，控温精度达0.01K。为避免加热丝电流引入磁噪声，采用交流加热方式，加热电流频率高于87Rb原子在100μT磁场环境中的拉莫尔进动频率(约700kHz)。圆形射频线圈提供射频磁场Brf，通入线圈的电流由信号发生器产生，精度达0.1mA。由毕奥-萨伐尔定律可知，Brf与线圈电流成正比，通过所绕线圈的半径和匝数计算可得，二者的正比关系为30nT/mA。为保证在气室空间内产生磁场强度的均匀性，线圈在气室上下对称分布，Brf磁场方向与光束传播方向垂直。长螺线管提供待测磁场B0，磁场方向沿光束传播方向，设置B0=50μT(该磁场下原子的拉莫尔进动频率为350kHz)。为了屏蔽外界杂散磁场干扰，在物理系统外部设置高磁导率的五层磁屏蔽筒，实际测得磁屏蔽桶内剩磁约为5nT，在地磁场测量范围内，该剩磁对待测磁场的影响可忽略。

图2 实验装置(A表示衰减片；λ/4表示四分之一波片；B0和Brf分别表示待测磁场和射频场；PD表示光电探测器)Fig.2 Experimental apparatus(A: variable optical attenuator;λ/4: quarter-wave plate; B0: magnetic field to be measured; Brf: radio frequency field; RF coils: radio frequency coils; PD: photo detector)

2 实验结果及讨论

采用圆偏振光场将原子极化后，大量原子积聚在 |Fg=2,mF=+2>能态上，原子不再吸收光场。此时，施加一个射频磁场，并在350kHz附近扫描射频频率，获得了如图3黑线所示的磁共振信号；在射频信号中叠加浅幅调制，调制频率为137Hz,并利用锁相放大器对探测到的光电信号进行同步解调，获得了如图3红线所示的磁共振信号的微分信号。测得磁共振信号线宽为2.8kHz，信号最低点对应的频率值ω=346kHz，由公式ω=γB计算可得B=49.4μT。

图3 黑线表示磁共振信号，红线表示锁相放大器输出；设置激光功率为40μW，Brf=0.3μTFig.3 Black line represents the magnetic resonance signal and red line represents the output of lock-in amplifier; the laser power is 40μW, Brf=0.3μT

2.1 激光功率

激光功率的增大会导致磁共振信号展宽。通过衰减片改变激光功率，得到了如图4所示的磁共振信号线宽与激光功率关系，随着激光功率的增大，磁共振信号的线宽也近似线性增大。同时，得到了如图5所示的磁共振信号幅度与激光功率关系，随着激光功率的增大，信号幅度增速逐渐减小，这一现象可以从光抽运的过程给出解释。极化的原子由于多种因素导致的驰豫过程而转移到其他能级上，即退极化，退极化原子再次被光抽运极化，这种动态平衡过程需要足够功率的入射光来维持。但是随着入射光功率的增加，光抽运的速度相较于驰豫速度更快，退极化且待抽运的原子数减少，光抽运过程很快达到近饱和[14]，因此原子对入射光的吸收幅度并未增加，磁共振信号幅度增速减小。

图4 磁共振信号线宽随激光功率变化(红线为线性拟合结果，拟合表达式为W=0.026P+1.62，W表示信号线宽，P表示激光功率；射频场强度设置为0.3μT)Fig.4 Magnetic resonance signal linewidth varies with laser power(red line is the linear fit result, the fitting expression is W=0.026P+1.62, W indecates signal linewidth, P indicates laser power; RF field intensity is 0.3μT)

图5 磁共振信号幅度随激光功率变化(射频场强度设置为0.3μT)Fig.5 Magnetic resonance signal amplitude varies with laser power(RF field intensity is 0.3μT)

将磁共振信号的幅度与线宽比值随激光功率的变化情况绘制如图6所示，激光功率由10μW增大至50μW时，幅度与线宽比值持续增大，并在50μW处达到最大值，但随着激光功率继续增大，比值呈减小趋势。这是由于光抽运过程逐渐达到饱和后，磁共振信号幅度的增速减小，而线宽持续地线性增长。磁共振信号的幅度-线宽比值是磁强计灵敏度评价公式中的重要参数，该比值越大，则灵敏度越高。因此，取50μW作为激光功率的最佳参数值，为研制原理样机提供了参考依据。

图6 磁共振信号幅度与线宽的比值随激光功率变化Fig.6 The amplitude-to-linewidth radio of magnetic resonance signal varies with laser power

2.2 射频场强度

射频场强度增大会导致磁共振信号展宽。通过改变射频线圈的电流幅值，得到了如图7所示的磁共振信号线宽与射频场强度的关系，随着射频场强度的增大，磁共振信号的线宽也近似线性增大。同时，得到了如图8所示的磁共振信号幅度与射频场强度的关系。随着射频场强度的增大，信号的幅度也显著增大，但当射频场强度相对于有效原子数量和有效光强趋于饱和时，磁共振信号幅度增速减小。

图7 磁共振信号线宽随射频场强度变化(红线为线性拟合结果，拟合表达式为W=2.34R+2.13，W表示信号线宽，R表示射频场强度；激光功率设置为40μW)Fig.7 Magnetic resonance signal width varies with RF field intensity(red line is the linear fit result, the fitting expression is W=2.34R+2.13, W indecates signal linewidth, R indecates RF field intensity; Laser power is 40μW)

图8 磁共振信号幅度随射频场强度变化 (激光功率设置为40μW)Fig.8 Magnetic resonance signal amplitude varies with RF field intensity(laser power is 40μW)

磁共振信号的幅度与线宽比值与射频场强度的关系如图9所示。当射频场强度达到0.36μT后，随着射频场强度的增大，幅度与线宽比值几乎保持不变。待测磁场B0为原子跃迁提供量子化轴，而射频场Brf方向与B0方向垂直，当Brf过大时将对B0形成干扰，影响原子自旋磁矩在待测磁场方向上的投影，从而降低磁共振信号的幅度。因此，取0.5μT作为射频场强度的最优参数值，其相对待测地磁场(10μT～100μT)而言干扰较小。

图9 磁共振信号幅度与线宽的比值随射频场强度变化Fig.9 The amplitude-to-linewidth radio of magnetic resonance signal varies with RF field intensity

2.3 射频场强均匀性

射频线圈在气室空间内形成的磁场存在不均匀性，导致气室内不同位置的原子在发生Zeeman跃迁时，吸收的射频磁场能量不同，因此磁共振信号会发生展宽及幅度变化。为了探究气室内射频磁场强度的均匀性对磁共振信号幅度和线宽的影响，对气室内的磁场强度分布情况进行了仿真分析。图10所示为磁强计原理样机内射频线圈与原子泡的相对位置示意图。射频线圈在87Rb原子气室上下对称分布。气室形状为圆柱体，利用毕奥-萨伐尔定律计算可知，其空间内沿x轴的各个轴切面上的磁场强度分布情况均相同，因此，由轴切面xoz内各点磁场强度可推出整个气室空间内任意点处的磁场强度。利用Mathematica软件对气室轴截面xoz的磁场强度分布进行了仿真计算，得到如图11所示的三维分布图。为了直观地反映xoz面内各点磁场强度的相对大小，将纵坐标设为xoz面内各点磁场强度与O点磁场强度的比值。

图10 射频线圈与原子气室的相对位置示意图，气室(圆柱体)关于x轴和z轴对称Fig.10 Schematic diagram of the relative position of RF coil and vapor cell, and the vapor cell(cylinder) is symmetric about the x axis and the z axis

图11 气室内xoz平面上各点的磁场强度分布三维图(纵坐标Bz/B0表示xoz平面内各点磁场大小与中心点O处磁场大小的比值)Fig.11 A three-dimensional map of the magnetic field intensity distribution on the xoz plane in the vapor cell(the ordinate Bz/B0 represents the ratio of the magnetic field intensity at each point in thexoz plane to the magnetic field strength at O point)

图11反映了xoz面内各点的磁场强度关于x轴和z轴呈对称分布，且越靠近中心O点磁场越均匀。设置中心O点处射频磁场Brf=0.5μT。图12所示为xoz面内各点与O点磁场强度比值的等高线图。当采用光斑直径为4mm的平行光束沿中心轴线射入原子气室时，光束与气室原子的作用区域为图12中的红色阴影部分。由各等高线可以看出，在{-0.3≤z≤0.3, -0.2≤x≤0.2}区域内，各点与中心O点磁场强度相差小于10%，磁场强度分布范围为0.49～0.55μT；在{-0.2≤z≤0.2, -0.2≤x≤0.2}区域内，各点与O点磁场强度相差小于3%，磁场强度分布范围为0.49～0.515μT。边缘位置与O点磁场强度相差值最大约为75nT。因此，由xoz面内各点的磁场强度分布情况可推得，整个气室空间的光束入射区域内磁场强度均匀性较好，对磁共振信号的展宽及幅度变化的影响很小。

图12 xoz面内各点磁场强度与O点磁场强度比值的等高线图Fig.12 Contour map of the ratio of the magnetic field intensity at each point in the xoz plane to the magnetic field intensity at O point

3 原子磁强计样机性能

在前期实验参数研究的基础上，实现了激光抽运Mz型原子磁强计样机，样机实物图如图13所示。样机功耗2W，体积190cm3(探头+电路)，灵敏度1pT/Hz1/2@1Hz，测量范围10μT～100μT。当前样机使用的VCSEL激光器为TO-46封装，原子气室使用玻璃吹制，光学元件通过设计结构进行安放组装。接下来，利用前期芯片原子钟研制技术，VCSEL可以使用裸芯，原子气室通过阳极键合技术可将尺寸降低至5mm3以内，利用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)集成技术将VCSEL激光器、原子气室、光学元件、射频线圈和光电探测器集成，可使探头尺寸降低至10cm3以内，并通过专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)技术实现电路部分集成，最终可实现该类型原子磁强计的芯片化。

图13 激光抽运Mz型原子磁强计样机Fig.13 Optically pumped Mzatomic magnetometer

4 结论

本文通过实验系统开展了激光抽运Mz型原子磁强计参数研究，确定了激光功率和射频场强度最佳值。以实验研究为基础，实现了可在地磁背景下工作的原子磁强计样机。此外，仿真分析了样机内射频线圈产生的磁场的场强均匀性，仿真结果表明，该场强均匀性满足磁强计样机的性能要求。样机灵敏度与目前光谱灯抽运的铯光泵原子磁强计相当，但体积更小、功耗更低。未来，我们将加快实现该类型芯片级原子磁强计产品，打破国外禁运，满足国内无人机反潜、水下导航和资源探测等军民需求。