關(guān)麗娟

(中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，青島266100)

康智慧

(吉林大學(xué)物理學(xué)院，長(zhǎng)春130021)

王增斌

(北京航天控制儀器研究所，北京100854)

海洋磁力儀是指測(cè)量海洋磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁力儀，主要應(yīng)用于海洋環(huán)境探測(cè)中的高精度磁測(cè)量.近年來(lái)，海洋地磁測(cè)量逐步向0.1～0.001 nT甚至更高精度拓展，其測(cè)試模式也在點(diǎn)、線測(cè)量模式基礎(chǔ)上，拓展了局部海域網(wǎng)格測(cè)量模式.海洋磁測(cè)的新需求向海洋磁力儀提出了數(shù)字化、模塊化、小型化和系統(tǒng)集成化等要求，研發(fā)高精度、小型化磁力儀具備重要的意義.

用于海洋磁測(cè)的傳統(tǒng)高靈敏度磁力儀主要包括磁通門(mén)磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀以及超導(dǎo)量子干涉磁力儀.

磁通門(mén)磁力儀通過(guò)在交變磁場(chǎng)飽和激勵(lì)下的高導(dǎo)磁鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)［1-5］.其探頭部分多由在高磁導(dǎo)率的磁芯上纏繞線圈制做而成，體積和重量較大，功耗較高，測(cè)量精度偏低，測(cè)量范圍較?。?］.

質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀則利用質(zhì)子自旋在外磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)自旋進(jìn)動(dòng)頻率的方法來(lái)完成磁場(chǎng)測(cè)量［7］.但其耗電量大，只能進(jìn)行低帶寬間斷測(cè)量［8］.

光泵磁力儀是以外磁場(chǎng)對(duì)原子產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用光泵浦作用和磁共振技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量［9］.光泵磁力儀具有較高的靈敏度和響應(yīng)頻率，還可測(cè)量合磁場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，并且可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量［10-11］.但是光泵磁力儀探頭的體積較大，且測(cè)量結(jié)果存在漂移現(xiàn)象［12］.

超導(dǎo)量子干涉磁力儀是以超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量的量子干涉效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，敏感外磁場(chǎng)引起的磁通并將其轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器［13］.超導(dǎo)量子干涉磁力儀具備當(dāng)前磁力儀產(chǎn)品的最高精度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，功耗較高以及必需的低溫制冷系統(tǒng)，使其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制.

上述磁力儀技術(shù)具備技術(shù)成熟、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，在海洋磁測(cè)、地質(zhì)勘探、地磁圖繪制、地震測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.但是，對(duì)于諸多應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展需求，上述技術(shù)手段很難在提供高精度測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)微小型化.探索新手段來(lái)滿足多領(lǐng)域磁場(chǎng)測(cè)量需求具有重要意義.

與上述技術(shù)手段相比，利用雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的量子干涉磁力儀，具有精度高、體積微小、功耗低、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，有望成為解決磁測(cè)量技術(shù)未來(lái)發(fā)展難題的有效手段，引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注.

1 量子干涉磁力儀

1.1 簡(jiǎn)述

量子干涉磁力儀利用極靈敏的雙光場(chǎng)干涉信號(hào)來(lái)敏感外磁場(chǎng)塞曼效應(yīng)引起的能級(jí)劈裂，進(jìn)而精確反演出外磁場(chǎng)的強(qiáng)度與方向.磁力儀以某種堿金屬原子為敏感介質(zhì)，通過(guò)光泵浦手段，將原子高效地泵浦到所需原子基態(tài)能級(jí)上，并保持連續(xù)泵浦光的強(qiáng)度，構(gòu)建成即所謂的量子干涉“暗態(tài)”之后，通過(guò)探測(cè)對(duì)另一束弱探測(cè)光的吸收情況，確定量子干涉效應(yīng)吸收線的位移，確定基態(tài)能級(jí)的劈裂情況，反演出外加磁場(chǎng)的信息［14］.

量子干涉磁力儀利用了雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)，因此靈敏度極高，其理論精度可達(dá)pT～fT，與超導(dǎo)量子干涉磁力儀相比同樣具有超高測(cè)量精度的技術(shù)潛力.同時(shí)，基于雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)的磁力儀的敏感介質(zhì)僅需mm甚至μm尺度，其光學(xué)系統(tǒng)均可采用集成光電器件實(shí)現(xiàn)，因此還具備微小型化技術(shù)優(yōu)勢(shì).

1.2 雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)

雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)是原子介質(zhì)引起的光場(chǎng)相干現(xiàn)象，最早文獻(xiàn)［14］于1976年觀察到.雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)的系統(tǒng)主要由雙基態(tài)、單激發(fā)態(tài)原子和兩束近共振激光組成.當(dāng)雙光場(chǎng)與三能級(jí)原子相互作用時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)原子躍遷|1〉-|2〉，|1〉-|3〉之間將產(chǎn)生量子干涉效應(yīng).當(dāng)兩個(gè)激光場(chǎng)的頻率差與原子基態(tài)能級(jí)的劈裂間距相同時(shí)，這兩個(gè)躍遷的發(fā)生的復(fù)幾率完全抵消，原子將以特定復(fù)概率分布在原子|2〉，|3〉兩個(gè)基態(tài)上，即便有兩束激光場(chǎng)存在，原子也不會(huì)被泵浦到激發(fā)態(tài)|1〉上，此態(tài)成為量子干涉“暗態(tài)”.如果整個(gè)過(guò)程為絕熱過(guò)程，則原子沒(méi)有自發(fā)輻射，此效應(yīng)可引發(fā)基態(tài)原子的相干分布，稱(chēng)為相干粒子數(shù)捕獲.此時(shí)若觀察第2束弱激光，則能夠觀察到完全透明現(xiàn)象，因此該效應(yīng)也被稱(chēng)為電磁感應(yīng)光透明效應(yīng).量子干涉效應(yīng)是導(dǎo)致相干粒子數(shù)捕獲、電磁感應(yīng)光透明效應(yīng)的物理機(jī)制.

圖1為典型的Λ型三能級(jí)量子干涉系統(tǒng)模型［15-16］.

其物理過(guò)程可由下面理論簡(jiǎn)單描述.

相干激光場(chǎng)ω1和ω2分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)所含的兩個(gè)原子躍遷通道|1〉-|2〉，|1〉-|3〉.其相干演化波函數(shù)可表達(dá)為

圖1 Λ型三能級(jí)系統(tǒng)雙光場(chǎng)量子干涉效應(yīng)示意圖

其中，ci(i=1，2，3)即原子在圖1上所示|i〉能級(jí)上的幾率振幅.因c1為激發(fā)態(tài)原子存在的幾率，將引發(fā)自發(fā)輻射，影響信號(hào)的檢測(cè)精度，因此本文試圖尋找c1(t)=0的態(tài)，即所謂量子干涉“暗態(tài)”.

將式(1)代入薛定諤方程，可得其演化方程為

其中，Ω1與Ω2分別為相干場(chǎng)ω1和ω2的拉比頻率，Ω1= μ1E1/h-，Ω2=μ2E2/h-，μ1，μ2為原子躍遷偶極距，E1，E2為光功率，h-=普朗克常數(shù)/2π.設(shè)定雙光場(chǎng)滿足雙光子共振條件:ω1-ω12=ω2-ω13=δ.引入常量 θ，令 tan θ= Ω1/Ω2.由此可定義兩個(gè)新的參數(shù):

將式(5)和式(6)代入式(2)～式(4)，可以得到這兩個(gè)新的疊加態(tài)振幅的運(yùn)動(dòng)方程:

其中，廣義拉比頻率Ω=(Ω21+Ω22)1/2.

分析式(7)可知，在雙光場(chǎng)吸收近似為0并且滿足絕熱近似緩變條件，量子干涉過(guò)程存在解{c1(t)=0，c2(t)=- Ω2/Ω，c3(t)= Ω1/Ω}，使得原子不在激發(fā)態(tài)上布居，此時(shí)量子干涉效應(yīng)抑制了整個(gè)系統(tǒng)的自發(fā)馳豫過(guò)程，使得信號(hào)光完全透明穿過(guò).在不滿足上述雙光子量子干涉條件時(shí)，該態(tài)不存在，因此會(huì)對(duì)信號(hào)光引入極大的吸收.因此，改變信號(hào)光頻率進(jìn)行掃描，將在信號(hào)光的吸收譜上形成一個(gè)尖銳的透明峰.該峰的中心位置標(biāo)志著量子干涉效應(yīng)完全消失對(duì)應(yīng)的頻率，稱(chēng)為干涉共振信號(hào)峰.

1.3 量子干涉效應(yīng)測(cè)磁的原理

基于量子干涉效應(yīng)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的原理如下:當(dāng)磁場(chǎng)為0時(shí)，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)都是簡(jiǎn)并的，只存在一個(gè)干涉共振信號(hào)峰，當(dāng)存在一個(gè)與光傳播方向平行的外磁場(chǎng)時(shí)，不同磁量子數(shù)mF的塞曼子能級(jí)將產(chǎn)生寬度不同的劈裂，此時(shí)構(gòu)成3個(gè)三能級(jí)Λ系統(tǒng)(如圖2b所示)［15-16］.此時(shí)的躍遷會(huì)構(gòu)成3個(gè)三能級(jí)Λ型雙光場(chǎng)量子干涉系統(tǒng)Λ1，Λ2，Λ3(每?jī)蓚€(gè)躍遷通道構(gòu)成一個(gè) Λ 型系統(tǒng)).

圖2 87Rb原子D1線能級(jí)示意圖

由文獻(xiàn)［15-16］可知，3個(gè)共振信號(hào)之間的頻率差Δ=|γ|B，γ為旋磁比，B為待測(cè)外磁場(chǎng)強(qiáng)度，即共振信號(hào)間的頻率差正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度.因此可以通過(guò)檢測(cè)到的頻率差，計(jì)算出B.以上即為量子干涉磁力儀的理論基礎(chǔ).文獻(xiàn)［15-16］給出了其原理樣機(jī)的研制情況以及測(cè)試結(jié)果.

2 芯片量子干涉磁力儀設(shè)計(jì)

基于上述量子干涉磁力儀的工作原理，以小型化集成物理系統(tǒng)為核心，配合外部精密控制電路，對(duì)電流、工作頻率和溫度等參數(shù)進(jìn)行反饋控制.產(chǎn)品采用芯片集成化封裝，設(shè)計(jì)響應(yīng)快、能耗低、體積小、精度高，有望滿足海洋磁測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展需求.

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

量子干涉磁力儀的物理系統(tǒng)是以芯片上集成的激光發(fā)射系統(tǒng)和原子蒸汽反應(yīng)腔作為核心部分.圖3為磁力儀的系統(tǒng)示意圖.首先，通過(guò)控制電流將激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定在794.976 nm，然后使用3.417 GHz頻率的調(diào)制信號(hào)使激光器產(chǎn)生頻率間隔為3.417 GHz的多色光.產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振片和波片進(jìn)入原子蒸汽反應(yīng)腔，波片將偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光.激光經(jīng)過(guò)原子蒸汽反應(yīng)腔之后，產(chǎn)生振蕩信號(hào)，其頻率等于微波信號(hào)源的信號(hào)頻率與原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率的差值.振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)入控制電路系統(tǒng).磁場(chǎng)測(cè)量所需要的信息，也通過(guò)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī).

圖3 量子干涉磁力儀物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

芯片量子干涉磁力儀的物理系統(tǒng)使用高帶寬、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Lase).

VCSEL的優(yōu)勢(shì)在于其發(fā)光區(qū)域較傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器要小，擁有響應(yīng)快、能耗低的特性，十分有利于系統(tǒng)小型化.

本文采用一個(gè)恒溫加熱系統(tǒng)使樣品池保持在工作溫度.通過(guò)改變電壓來(lái)控制溫度，圖4為加熱芯和溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖.固定晶體裝置使用銅材料制作，以避免引入附加磁場(chǎng).工作溫度必須穩(wěn)定在50～70℃范圍內(nèi)，才可以使穩(wěn)頻信號(hào)峰的幅度達(dá)到最高值.當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，銣原子為固態(tài)，幾乎都貼附在樣品池壁上，此時(shí)只有極少的原子與激光產(chǎn)生相互作用，量子干涉相消現(xiàn)象將無(wú)法產(chǎn)生.當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，樣品池對(duì)激光的吸收過(guò)于強(qiáng)烈，導(dǎo)致量子干涉共振信號(hào)過(guò)于微弱，難以觀測(cè).

圖4 加熱芯和溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

將適量的氖氣作為緩沖氣體充入Rb蒸汽腔內(nèi)，原子與緩沖氣體之間的碰撞可以有效地減慢銣原子的運(yùn)動(dòng)速度，從而延長(zhǎng)原子與光場(chǎng)發(fā)生相互作用的時(shí)間，明顯增加暗態(tài)壽命，并且原子與氖氣的碰撞對(duì)原子的量子態(tài)影響很小.但原子與緩沖氣體之間的碰撞也會(huì)使共振峰的線寬加寬，減小磁力儀分辨率，因此緩沖氣體壓強(qiáng)不宜過(guò)大.通過(guò)多種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，找到最適合的緩沖氣體壓強(qiáng).

控制電路系統(tǒng)主要是產(chǎn)生微波調(diào)制信號(hào)，對(duì)VCSEL進(jìn)行控制，并對(duì)光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理.對(duì)VCSEL的控制包括溫度控制，電流控制和頻率穩(wěn)定控制.溫控電路主要通過(guò)數(shù)模和模數(shù)的轉(zhuǎn)換，數(shù)值比較和反饋來(lái)控制高精度溫度傳感器和半導(dǎo)體熱電制冷溫度調(diào)節(jié)器.電流控制電路提供恒定的電流值，穩(wěn)定激光器的輸出波長(zhǎng).微處理器通過(guò)電流控制電路提供精確的驅(qū)動(dòng)電流鎖定激光管的輸出頻率.微處理器通過(guò)控制VCSEL的直流電流部分，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率掃描，多色光的產(chǎn)生則是通過(guò)對(duì)VCSEL的輸出光加以3.4 GHz頻率的調(diào)制實(shí)現(xiàn)的.由激光器發(fā)出的光束根據(jù)激發(fā)原子躍遷的不同，產(chǎn)生偏移方向相反頻移量相同的右旋圓偏振光σ+和左旋圓偏振光σ-，進(jìn)而得到兩路不同的差分信號(hào).探測(cè)光中的σ+與σ-偏振分量通過(guò)反應(yīng)腔和λ/4波片，由線偏光變?yōu)閳A偏光，光電探測(cè)器經(jīng)過(guò)減法器將這兩個(gè)信號(hào)相減得到類(lèi)色散曲線，再經(jīng)過(guò)比例積分微分放大電路將誤差信號(hào)加載到激光電流上，負(fù)反饋回路再加入反向偏置，就可使類(lèi)色散曲線始終過(guò)零點(diǎn)，激光輸出頻率就可以鎖定在原子的精細(xì)譜線上，從而達(dá)到對(duì)激光器穩(wěn)頻控制的目的.整個(gè)微控制電路的工作過(guò)程是:在調(diào)制信號(hào)源外加了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，給所加的高頻微波信號(hào)進(jìn)行掃場(chǎng)，并通過(guò)其產(chǎn)生的三角波來(lái)觸發(fā)調(diào)制信號(hào)源，從而使其輸出以ω(3.417 GHz)為中心頻率的掃描范圍可調(diào)的掃場(chǎng)信號(hào).光電檢測(cè)器的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器之后，其中一路進(jìn)入激光器驅(qū)動(dòng)電流源作為穩(wěn)頻反饋控制信號(hào);另一路進(jìn)入信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成與量子干涉失諧瞬態(tài)振蕩信號(hào)頻率一致的正弦波信號(hào)，用于頻率反饋，以控制輸入信號(hào)頻率.由于物理反應(yīng)腔和激光器均有加熱和溫控裝置，所以置入溫控反饋電路單元進(jìn)行分別控制.

以上即為量子干涉磁力儀核心系統(tǒng)中的穩(wěn)頻、溫控和微波調(diào)制設(shè)計(jì)原理.

3 量子干涉磁力儀在海洋中的應(yīng)用

由上述原理研制成的量子干涉磁力儀可以應(yīng)用于沿海地球物理勘探、考古學(xué)、失事船探測(cè)、港口的磁繪，湖泊、河流、港灣中鐵質(zhì)目標(biāo)的探測(cè).

在海洋環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域的磁力儀可分為艦載、機(jī)載以及星載3種載荷方式.其中艦載磁力儀的傳感器部分元件通常由電纜連接，被拖拽在水面以下，設(shè)計(jì)成流線型形狀.進(jìn)一步，將兩個(gè)探頭連接在一起可以構(gòu)成地磁梯度儀，如圖5所示為艦載并聯(lián)式和串聯(lián)式梯度儀示結(jié)構(gòu)意圖.

圖5 艦載磁力梯度儀結(jié)構(gòu)示意圖

多探頭串、并聯(lián)的組合方式，可以對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)梯度進(jìn)行3軸方向的精確實(shí)時(shí)測(cè)量.用于港口、航道、錨地等對(duì)泥下障礙物、管道探測(cè)及海纜路由調(diào)查、重要工程水域磁場(chǎng)測(cè)量等海洋工程開(kāi)發(fā).

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文根據(jù)光與原子在磁場(chǎng)中相互作用的基本原理，對(duì)雙光場(chǎng)量子干涉測(cè)磁的基本過(guò)程進(jìn)行了理論解釋.以此為原理設(shè)計(jì)了量子干涉磁力儀，分析了這種磁力儀在弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì).重點(diǎn)介紹了磁力儀的系統(tǒng)構(gòu)成和核心部分設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步介紹了量子干涉磁力儀在海洋磁測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景.

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