石 銘

(1.中國船舶重工集團公司第七一○研究所,湖北 宜昌 443003；2.國防科技工業(yè)弱磁一級計量站，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

光泵原子磁力儀(OPM)是通過測量原子磁矩在靜磁場中的拉莫爾進動頻率來測量靜磁場的一種磁場標量測量儀器[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)來檢測磁矩進動效應。光泵原子磁力儀的早期研究可以追溯到上世紀六十年代[2,3]，當時主要采用原子光譜燈作為泵浦光源。近年來，隨著微加工工藝和小型半導體激光器研究的進展，采用激光作為泵浦光源的光泵原子磁力儀又成為研究熱點[4-6]。

對于傳統(tǒng)的光泵原子磁力儀，He或堿金屬原子能級在特定圓偏振光的直接作用下，受能量守恒與選擇定則的約束，其在磁場中形成的塞曼子能級間的平衡被打破，從而產(chǎn)生了原子的自旋極化及原子宏觀磁矩。在光磁共振模式下，由射頻線圈產(chǎn)生頻率為ωrf的波動磁場，該射頻場驅(qū)動塞曼子能級間的躍遷，破壞了自旋極化，當ωrf等于拉莫爾進動頻率時，達到共振增強的效果[7]。這是目前光泵原子磁力儀所廣泛采取的方法。這種通過光與原子直接作用檢測原子在磁場中的拉莫爾頻率來測量磁場的方法，可以實現(xiàn)pT甚至以下量級的測試靈敏度，然而，由于原子共振頻率在泵浦光源的作用下會產(chǎn)生頻移，其磁場測試準確度并不高，比如美國GEOMETRICS公司的G882 海洋磁力儀，其磁場測試準確度為3nT，遠低于質(zhì)子磁力儀0.1nT的測試準確度。為了提高光泵磁力儀的測試準確度，可以采取堿金屬與He原子混合泵浦的模式：首先，堿金屬在泵浦光源的作用下產(chǎn)生極化；其次，通過堿金屬原子與He原子的自旋交換作用使He原子極化；然后，通過檢測亞穩(wěn)態(tài)He原子在磁場中的拉莫爾進動頻率以實現(xiàn)磁場測量。S. P. Dmitriev[8]等研究了采用原子光譜燈作為泵浦光源的堿金屬-He磁力儀，研究表明其磁場測試準確度能達到0.01nT量級。

相比于使用原子光譜燈作為泵浦光源，半導體激光器表現(xiàn)出體積小、功耗低、線寬窄、波長單一等特點。S. Groeger等人對比研究了使用原子光譜燈和半導體激光器作為泵浦光源的Cs原子磁力儀[9]，在相同的處理電路和制備工藝下，采用半導體激光器作為泵浦光源靈敏度更高。

本文采取鎖定于Cs原子D1線Fg=4→Fe=3躍遷能級的894 nm激光與填充有Cs原子和4He原子的吸收室相互作用的方法，通過光源與Cs原子的相互作用而極化Cs原子，然后通過Cs原子與4He原子的自旋交換作用使4He原子極化。文中分析了該方法的基本原理，并設(shè)計了信號檢測與處理電路以實現(xiàn)其對拉莫爾頻率的檢測。

1 工作原理

在沒有光泵浦作用時，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，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。

圖1 Cs原子的超精細能級結(jié)構(gòu)在外磁場中的 塞曼能級分裂及其在D1線Fg=3→Fe=4左旋圓偏振光作用下泵浦過程

Cs原子在特定光源作用下被極化后，與Cs原子混合在一起的4He原子可通過與Cs原子的自旋交換作用實現(xiàn)極化。圖2所示為4He原子能級示意圖，由于4He原子在基態(tài)時角動量J=0，不能被極化，因此，實際工作中，通過激勵電路使4He原子從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)角動量J=1，在外部磁場中分裂為mj=-1，mj=0，mj=1三個能級。在沒有其他外界干擾時，亞穩(wěn)態(tài)三個子能級均勻分布，而在4He原子與極化了的Cs原子自旋交換作用下，使得4He原子亞穩(wěn)態(tài)能級均勻分布被打破，從而產(chǎn)生極化。通過檢測極化了的4He原子在磁場中進動的拉莫爾頻率ωL，再由磁場與拉莫爾進動頻率的正比例關(guān)系(ωL=γB)得到磁場大小。

圖2 He原子能級示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由激光器及控制電路、光學組件、He-Cs氣室、光電二極管、激勵電路與檢測電路等組成，如圖3所示。激光控制電路控制激光器的輸入電流和加熱功率，用于調(diào)節(jié)激光器的輸出波長并保持其穩(wěn)定性。光學組件用于使輸出的激光準直、濾光和產(chǎn)生偏振。亞穩(wěn)態(tài)激勵電路用于使He-Cs氣室中的4He原子變成亞穩(wěn)態(tài)。當形成共振時，4He原子的極化被破壞，由于Cs原子與4He原子的自旋交換作用，Cs原子極化也會降低，這樣Cs原子對激光的吸收系數(shù)會增加，相應的透射光強會產(chǎn)生極值。當激光信號經(jīng)He-Cs氣室由光電二極管接受轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)跨阻放大和解調(diào)器解調(diào)后，可以得到鑒頻信號用于判斷是否產(chǎn)生共振，由控制器控制調(diào)制信號的大小直到形成共振。根據(jù)產(chǎn)生共振的頻率信號即可以推導出原子自旋拉莫爾進動頻率，再由磁場與拉莫爾進動頻率的正比例關(guān)系得到磁場大小。

圖3 裝置工作示意圖

3 信號分析與處理

4He原子經(jīng)過與Cs原子的自旋交換作用達到平衡時，在激光方向上(z方向)形成宏觀磁矩M0，當存在外界磁場B時，原子磁矩M受到力矩的作用，磁場對M的力矩為：

τ=M×B

(1)

角動量隨時間的變化率等于力矩，其改變的方向沿力矩方向，即：

(2)

由P=M/γ，即：

(3)

γ為4He原子旋磁比，考慮馳豫作用和光極化作用，可以表示為如下矩陣形式：

(4)

T1和T2分別為橫向和縱向馳豫時間，τp為光抽運時間，根據(jù)上式，可以得到：

(5)

其中，Brf為射頻磁場幅值，ωrf為射頻磁場頻率，1/S1=1/T1+1/τp，1/S2=1/T2+1/τp。由光電探測器檢測的透射光強與Mz成正比，因此信號可以表示為如下圖所示的洛倫茲線形曲線：

圖4 4He原子共振吸收譜線

由圖可知，當ωrf=ωL時形成共振，吸收曲線產(chǎn)生極值，為了通過電路讀取共振頻率信號，對射頻信號進行調(diào)制，表示如下：

(6)

ωd和ωm分別為調(diào)制深度和調(diào)制頻率，通過泰勒展開可知在信號中包含調(diào)制頻率的各次諧波信號，其中基波信號線形為原始信號求導所得，如圖5所示。以調(diào)制頻率的倍頻信號作為參考信號，基波信號可以通過鎖相放大器的解調(diào)獲取。當ωrf=ωL時，基波信號為0，因此，可以通過反饋控制電路使基波信號鎖定于0點，形成共振，再由產(chǎn)生共振時的射頻頻率大小，即可以得到外界磁場大小B=ωL/γ。

圖5 基波信號曲線

4 結(jié) 語

本文研究了采用泵浦光源極化Cs原子而間接極化4He原子的方法，通過檢測He原子在磁場中拉莫爾頻率而測量磁場。這種設(shè)計方法可以避免He原子與光源直接作用產(chǎn)生的光頻移，能夠減小共振線寬和實現(xiàn)高準確度磁場測量。通過理論分析，設(shè)計了設(shè)備結(jié)構(gòu)和信號處理系統(tǒng)，以獲取系統(tǒng)拉莫爾共振頻率，從而得到外磁場大小。