陳東營(yíng)，楊遠(yuǎn)洪

北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191

隨著物理學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、原子力學(xué)的不斷進(jìn)步，原子傳感技術(shù)得到了迅速發(fā)展。自旋是原子的內(nèi)稟屬性，原子自旋包括電子自旋與核自旋，它們分別具有角動(dòng)量和磁矩。由于原子自旋進(jìn)動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)非常敏感，通過(guò)檢測(cè)原子自旋進(jìn)動(dòng)及其變化可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的高靈敏高精度測(cè)量，這是高精度原子自旋陀螺和原子自旋磁強(qiáng)計(jì)的基本原理。相較于光學(xué)磁力計(jì)和光纖陀螺，基于原子自旋效應(yīng)的磁強(qiáng)計(jì)和陀螺具有超高的靈敏度和精度且有實(shí)現(xiàn)小型化的潛力，因而引起了世界各界的廣泛關(guān)注。早在20 世紀(jì)50年代就出現(xiàn)了基于電子和核自旋的原子磁強(qiáng)計(jì)[1-2]；基于核自旋角動(dòng)量的定軸性，Simpson[3]提出了一種基于原子核自旋的原子陀螺儀，即核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）陀螺儀；2002年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究人員操控原子自旋實(shí)現(xiàn)無(wú)自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation-free, SERF）態(tài)[4]，基于原子SERF 態(tài)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量；2005年，該課題組又提出了基于原子SERF 態(tài)的原子自旋陀螺儀[5]，獲得了的角速度靈敏度。在SERF 態(tài)下，原子自旋弛豫時(shí)間長(zhǎng)，陀螺角速度靈敏度與常規(guī)光泵浦態(tài)下相比得到了很大的提高，明顯提高了原子自旋的相干性且原子系綜信噪比較高。更重要的是，在SERF 態(tài)下可實(shí)現(xiàn)核自旋-電子自旋強(qiáng)耦合，形成惰性氣體核自旋的磁場(chǎng)自補(bǔ)償效果，增加了原子自旋對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈敏度[5]。原子SERF 態(tài)的實(shí)現(xiàn)，大幅提高了基于原子自旋的精密測(cè)量和傳感的能力[4-6]。

處于SERF 態(tài)的堿金屬原子氣室中，原子具有一致且穩(wěn)定的自旋進(jìn)動(dòng)，在宏觀上可等效為一種光學(xué)法拉第晶體[7]，光的偏振狀態(tài)的測(cè)量理論和技術(shù)是原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)。原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)大都采用線偏光作為探測(cè)光，通過(guò)測(cè)量線偏振光經(jīng)過(guò)堿金屬氣室后偏振面的旋轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量原子自旋進(jìn)動(dòng)的變化。原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)光學(xué)傳感器和光纖傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如光學(xué)偏振儀和光纖干涉儀。為提高檢測(cè)精度并抑制誤差，研究人員提出了多種基于線偏振探測(cè)光的自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)方法，如偏振分光差分法[8-10]和偏振調(diào)制解調(diào)法[11-13]等。目前，SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)被操控于SERF 態(tài)并且采用高精度偏光檢測(cè)技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)了約的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度[14]，NMR 陀螺儀的精度也已達(dá)0.01?/h[15]，具備了實(shí)用條件；SERF 原子陀螺儀的實(shí)驗(yàn)室精度也已達(dá)0.01?/h[16]。近年來(lái)，本課題組結(jié)合反射型光纖Sagnac 干涉儀和氣室圓偏雙折射特性，提出了一種基于圓偏振探測(cè)光的自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)在檢測(cè)精度、抗環(huán)境干擾、小型化、陣列化等方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[17-18]。光學(xué)傳感技術(shù)和光纖傳技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的提升，使其向著高性能和小體積的方向發(fā)展，為原子磁強(qiáng)計(jì)和原子陀螺的實(shí)用化提供了支撐。

基于原子SERF 態(tài)的原子傳感技術(shù)包含原子SERF 態(tài)制備和原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)兩個(gè)重要的部分。原子SERF 態(tài)的制備是實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低噪聲和高穩(wěn)定感測(cè)的前提，原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)則是實(shí)現(xiàn)原子傳感器高性能測(cè)量的關(guān)鍵。本文首先簡(jiǎn)單介紹了原子自旋進(jìn)動(dòng)及檢測(cè)原理，在此基礎(chǔ)上圍繞SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)和SERF 陀螺自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)，介紹了三類(lèi)典型的原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 原子自旋進(jìn)動(dòng)及檢測(cè)原理

1.1 原子SERF 態(tài)及自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)基本原理

自然狀態(tài)的原子自旋是雜亂無(wú)章的，外加磁場(chǎng)和泵浦光照可使其雜亂無(wú)章的原子自旋具有宏觀指向，即極化。如圖1 所示[19]，當(dāng)一束圓偏振光沿z軸入射到原子氣室時(shí)，光子的角動(dòng)量傳遞給堿金屬原子，使原子沿傳輸光方向形成一致的自旋和進(jìn)動(dòng)。這使得具備高原子密度的原子氣室處于低磁場(chǎng)環(huán)境下，采用圓偏振光泵浦，可以讓原子的自旋交換頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，氣室內(nèi)原子自旋交換碰撞將出現(xiàn)無(wú)自旋交換弛豫，表現(xiàn)為極化原子還來(lái)不及退極化又回到最初的極化狀態(tài)，如圖2 所示。這種狀態(tài)被稱(chēng)作原子SERF 態(tài)[20]。當(dāng)線偏探測(cè)光通過(guò)SERF 態(tài)原子氣室后將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，定義偏振面的旋轉(zhuǎn)角為光旋角θ，它與原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)在檢測(cè)方向（x軸）上的投影Pex的關(guān)系可以表示為[20]

圖1 SERF 態(tài)原子氣室及偏振探測(cè)光變化示意圖[19]Figure 1 SERF vapor cell and the polarization plane rotation of linearly polarized probe light

圖2 原子自旋交換碰撞[20]Figure 2 Atomic spin exchange collision

式中：n為堿金屬原子的飽和蒸汽密度；l為氣室長(zhǎng)度，c 為真空光速，re為電子半徑；fD1≈1/3，fD2≈2/3；v為探測(cè)光頻率，vD1和vD2為堿金屬原子在D1、D2 線上的躍遷頻率；ΓL為壓力展寬系數(shù)。SERF 態(tài)原子氣室宏觀上可等效為旋光晶體，其旋光特性可以用等效的法拉第旋光方程描述

式中：KV為極化SERF 態(tài)原子氣室的等效旋光系數(shù)。對(duì)于設(shè)定的氣室，KV和l均為確定值，θ與Pex成比例關(guān)系，精確測(cè)量θ便能得到準(zhǔn)確的自旋進(jìn)動(dòng)信息。KV可表示為

從式(3) 可以看出，KV與探測(cè)激光頻率（波長(zhǎng)）密切相關(guān)。以常用的堿金屬鉀為例，可以計(jì)算得到KV與探測(cè)激光波長(zhǎng)λ的關(guān)系曲線如圖3 所示，其中λD1= 770.1 nm，λD2=766.7 nm 為鉀原子的吸收線波長(zhǎng)，KV的峰值處于這兩個(gè)吸收線的附近，為保證探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，需要將探測(cè)激光的工作波長(zhǎng)（頻率）選定在KV曲線峰值附件，同時(shí)需要探測(cè)激光頻率足夠穩(wěn)定。

圖3 鉀原子氣室典型的KV-λ 曲線Figure 3 Typical KV-λ curve of potassium vapor cell

1.2 SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)

SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)以堿金屬原子（K、Rb、Cs 等）為原子源，堿金屬原子氣室一般包括堿金屬原子、緩沖氣體（4He）、淬滅氣體（N2）等。如圖1 所示，當(dāng)沿著z軸施加圓偏振的泵浦光時(shí)，堿金屬原子沿z軸被極化，形成SERF 態(tài)；當(dāng)在y軸方向輸入磁場(chǎng)By時(shí)，可采用Bloch 方程描述極化的堿金屬原子的電子自旋[21]

式中：Pe為電子極化率；Q為減慢因子；γe為電子旋磁比；B為環(huán)境磁場(chǎng)；Rp為泵浦率；sp為泵浦激光光子角動(dòng)量傳遞方位；Rsd為自旋破壞弛豫率。SERF 磁強(qiáng)計(jì)的敏感軸為y軸，探測(cè)光沿x軸輸入，在小的磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量方程為

由式(5) 可知，自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)在檢測(cè)方向（x軸）上的投影Pex與磁場(chǎng)By成線性關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)Pex即可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)By的測(cè)量。

1.3 SERF 原子自旋陀螺

SERF 原子自旋陀螺工作物質(zhì)包含堿金屬原子和惰性氣體原子。圖4 示意了原子自旋陀螺工作原理，λMn為核磁，B為有效磁場(chǎng)，S為堿金屬電子自旋，Bc為補(bǔ)償磁場(chǎng)。氣室原子（K 和3He）被極化到SERF 態(tài)后，沿平行于泵浦光施加偏置補(bǔ)償磁場(chǎng)，其值近似抵消核磁，在此條件下，由于惰性氣體原子核自旋與堿金屬原子電子自旋的強(qiáng)耦合作用，惰性氣體核自旋可以跟隨并補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化，使堿金屬原子電子自旋所受靜磁場(chǎng)接近零，堿金屬原子進(jìn)動(dòng)將只對(duì)慣性旋轉(zhuǎn)敏感。用Bloch 方程來(lái)描述慣性測(cè)量裝置中電子自旋和核自旋的極化率的變化，電子、核子自旋及其耦合關(guān)系可用如下方程描述[22]：

圖4 SERF 原子陀螺儀工作原理示意圖[5]Figure 4 Operation principle of SERF atomic gyroscope

式中：Bn為核子自旋磁場(chǎng)；Be為電子自旋磁場(chǎng)；L為光位移；Rd為檢測(cè)激光光泵浦率；Pn為核自旋極化率；γn為核自旋旋磁比；?為載體相對(duì)慣性系角速率；sd為檢測(cè)激光光子角動(dòng)量傳遞方位；為核子自旋泵浦率；為電子自旋泵浦率；為電子自旋總弛豫率；為核子自旋總弛豫率；其他符號(hào)與式(4) 相同。設(shè)z軸為泵浦光方向，x軸為檢測(cè)光方向，y軸為轉(zhuǎn)動(dòng)敏感檢測(cè)方向，在小轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)SERF 自旋陀螺的測(cè)量方程為[22]

上式表明：自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)在檢測(cè)方向（x軸）上的投影Pex將與在y軸輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)速度?y成線性關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)Pex可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速?y的測(cè)量。

結(jié)合式(2)、(5) 和(7) 可以看出，原子自旋進(jìn)動(dòng)的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量線偏振探測(cè)光通過(guò)原子氣室后的旋轉(zhuǎn)角即光旋角θ實(shí)現(xiàn)的。

2 原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

2.1 偏振分光差分法

偏振分光差分法是一種經(jīng)典的線偏振光旋角檢測(cè)方法，其基本光路結(jié)構(gòu)（上部分）和偏振態(tài)演變（下部分）如圖5 所示。半波片（HWP）用于精確調(diào)入射到偏振分光鏡（PBS）的線偏光的方向，使之與PBS 兩偏振主軸都成45?夾角，入射線偏光被分成兩束相互垂直的偏振光并由兩個(gè)平衡探測(cè)器接收。設(shè)光旋角為θ，對(duì)兩個(gè)探測(cè)器接收信號(hào)I1和I2取差和求和，可得如下測(cè)量方程

圖5 偏振分光差分檢測(cè)示意圖Figure 5 Differential detection with polarization beam splitter

在θ較小的情況下，輸出與光旋角成線性關(guān)系且與光源功率無(wú)關(guān)。偏振分光差分法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠消除光強(qiáng)波動(dòng)和其他共模噪聲的影響。盡管線性測(cè)量范圍有限，但由于原子自旋進(jìn)動(dòng)引起的光旋角一般較小，適合原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)，這是使用最早的一種原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)方法。1962年，Gozzini 等[23]首次將差分檢測(cè)法用于原子自旋檢測(cè)中，現(xiàn)已成為SERF 原子陀螺和SERF 磁強(qiáng)計(jì)的最常用檢測(cè)技術(shù)之一[24-26]。2019年，美國(guó)Twinleaf 公司基于此技術(shù)研發(fā)出微尺寸雙軸SERF 磁強(qiáng)計(jì)[27]，如圖6 所示，其尺寸為Φ1.6 cm×15 cm，靈敏度為帶寬為100 Hz，磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±100 nT。

圖6 Twinleaf 公司的原子磁強(qiáng)計(jì)[27]Figure 6 Atomic magnetometer by Twinleaf

然而，偏振分光差分檢測(cè)工作在直流和低頻段，低頻噪聲和1/f 噪聲較大。為此，研究人員引入了調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)制獲得周期變化的差分信號(hào)再進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，可有效抑制檢測(cè)噪聲。2018年，Yao 等[28]采用聲光調(diào)制器（AOM）實(shí)現(xiàn)偏振差分信號(hào)調(diào)制，如圖7 所示，通過(guò)鎖相放大器提取一次諧波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了SERF 磁強(qiáng)計(jì)光旋角的測(cè)量，相較于其他技術(shù)，該技術(shù)獲得了較好的噪聲抑制效果。2019年，刑麗等[29]提出了采用液晶相位延遲器（LCVR）實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，如圖8 所示，PBS 為偏振分束器、HWP 為半波片、AOM 為聲光調(diào)制器、QWP 為1/4 波片，使SERF 原子陀螺精度達(dá)到0.08?/h，該方案減小了調(diào)制器的體積、降低了光路調(diào)節(jié)的難度。

圖7 采用AOM 的偏振分光差分檢測(cè)的SERF 磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)[28]Figure 7 Structure of SERF magnetometer with polarization differential detection by using AOM

圖8 采用LCVR 的偏振分光差分檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[29]Figure 8 Structure of polarization splitting differential detection system based on LCVR

2010年，美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Johnson 等[30]提出了一種光纖耦合反射型的SERF原子磁強(qiáng)計(jì)方案，如圖9 所示，ISO 為隔離器、HWP 為半波片、GL 為格蘭棱鏡、PD 為探測(cè)器，不同于常規(guī)的泵浦和探測(cè)光路相互垂直的結(jié)構(gòu)，采用特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)了泵浦和探測(cè)光共光路傳輸，探測(cè)激光經(jīng)過(guò)反射后由偏振分光差分模塊探測(cè)。檢測(cè)光束兩次通過(guò)原子氣室，增加了光程，提高了檢測(cè)靈敏度，同時(shí)減小了整體體積。該課題組將該方案用于腦磁圖測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了小于的磁場(chǎng)靈敏度檢測(cè)。2013年，該課題組設(shè)計(jì)了兩個(gè)小體積磁強(qiáng)計(jì)，第一次實(shí)現(xiàn)了兩通道的腦磁圖的測(cè)量[31]，為陣列化SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)的研制和應(yīng)用提供了實(shí)用的技術(shù)和方案。

圖9 光纖耦合反射型磁強(qiáng)計(jì)[30]Figure 9 Reflective atomic magnetometers with optical fiber coupling

偏振分光差分檢測(cè)模塊的核心器件為PBS 和平衡探測(cè)器，都屬于易于陣列化配置和集成的器件，現(xiàn)有研究和應(yīng)用表明，該技術(shù)非常適于原子自旋傳感器陣列應(yīng)用。在加入偏振調(diào)制環(huán)節(jié)后，也能實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。如式(8) 所示，該技術(shù)還存在測(cè)量范圍有限和線性度差的不足。

2.2 偏振調(diào)制/解調(diào)法

偏振調(diào)制/解調(diào)法基于馬呂斯定律[32]，通過(guò)設(shè)置偏振光調(diào)制模塊，實(shí)現(xiàn)光旋角的調(diào)制/解調(diào)檢測(cè)，圖10 描述了其基本結(jié)構(gòu)（上部分）和偏振態(tài)的演變（下部分）。設(shè)通過(guò)調(diào)制器后線偏振面的角度調(diào)制為α=Amcosωt，Am為調(diào)制幅度，ω為調(diào)制頻率，堿金屬氣室引入的光旋角為θ，且θ ?1，Am?1，探測(cè)光強(qiáng)可表示為[20]

圖10 偏振調(diào)制解調(diào)法原理圖Figure 10 Schematic diagram of polarization modulation/demodulation detection

忽略高階小量，通過(guò)鎖相放大器解調(diào)出一次諧波，可得到近似的測(cè)量方程

從上述推導(dǎo)過(guò)程可以看出，偏振調(diào)制解調(diào)檢測(cè)需要待測(cè)光旋角θ和調(diào)制幅度Am都足夠小，即θ ?1，Am?1，測(cè)量范圍較小、線性度較差。而且光源、調(diào)制器等的穩(wěn)定性會(huì)直接影響光旋角的檢測(cè)性能，這是這種檢測(cè)技術(shù)必須重點(diǎn)解決的問(wèn)題。目前可用于偏振調(diào)制的常用調(diào)制器有Faraday 調(diào)制器、光彈調(diào)制器（photo-elastic modulator, PEM）、電光調(diào)制器（electro-optic modulator, EOM）等。

Faraday 調(diào)制器基于Faraday 磁光效應(yīng)來(lái)調(diào)制線偏光的偏振方向，調(diào)制頻率一般為kHz量級(jí)。1990年，Wolfenden 等[33]首次將Faraday 調(diào)制器應(yīng)用于微弱光旋角檢測(cè)，有效提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，如圖11 所示。2002年，Allred 等[4]在第一臺(tái)SERF 原子磁強(qiáng)計(jì)中使用了基于Faraday 調(diào)制器的偏振調(diào)制解調(diào)法，如圖12 所示，調(diào)制幅度為2?，調(diào)制頻率為3 kHz，實(shí)現(xiàn)了的靈敏度。2005年，Kornack 等[5]搭建的第一臺(tái)SERF 陀螺樣機(jī)也采用了相同的檢測(cè)方法。為了抑制Faraday 調(diào)制器工作過(guò)程中產(chǎn)生的較大熱量和機(jī)械噪聲，該課題組還對(duì)Faraday 調(diào)制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[34]：優(yōu)化了線圈和μ-金屬磁屏蔽罩結(jié)構(gòu)、采用了水冷溫控技術(shù)等。2014年，萬(wàn)雙愛(ài)等[35]利用自然旋光效應(yīng)設(shè)計(jì)了雙光束閉環(huán)Faraday 調(diào)制方法，如圖13 所示，有效抑制了Faraday 調(diào)制器溫度變化引起的漂移和噪聲。

圖11 微弱光旋角檢測(cè)裝置圖[33]Figure 11 Weak optical rotation angle detection device

圖12 采用Faraday 調(diào)制的SERF 磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置[34]Figure 12 SERF magnetometer with Faraday modulator

圖13 用于SERF 磁強(qiáng)計(jì)的雙光路閉環(huán)Faraday 偏光調(diào)制/解調(diào)方案[35]Figure 13 Two-beam closed-loop Faraday polarization modulation/demodulation scheme for SERF magnetometer

光彈調(diào)制器（PEM）利用電驅(qū)動(dòng)壓電材料產(chǎn)生機(jī)械力改變光學(xué)材料（如熔石英）的雙折射，基于光彈效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)材料中傳輸光偏振態(tài)調(diào)制，配合1/4 波片可實(shí)現(xiàn)線偏振面的偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)制[36]。1975年，Modine[37]首次將PEM 用于光旋角偏振調(diào)制/解調(diào)檢測(cè)中。隨后基于此技術(shù)，Wu 等[38]實(shí)現(xiàn)了堿金屬氣室的Fardaday 旋光特性的研究，Kornack 等[39]設(shè)計(jì)基于PEM 的偏振調(diào)制/解調(diào)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)SERF 磁強(qiáng)計(jì)超高靈敏度探測(cè)，如圖14 所示，靈敏達(dá)PEM 檢測(cè)法可以在很大程度上提高檢測(cè)信噪比，但是PEM 調(diào)制器會(huì)受到自身產(chǎn)生的熱量和振動(dòng)的影響，引入共振頻移，從而導(dǎo)致振動(dòng)幅度不穩(wěn)、電效率降低等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，Duan 等[40]于2015年提出了通過(guò)提取探測(cè)信號(hào)的二倍頻信號(hào)進(jìn)行反饋控制的方法，如圖15 所示，有效降低了光源功率波動(dòng)和光路損耗變化的影響。2017年，該課題組通過(guò)增加進(jìn)入氣室的激光功率監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)[41]，有效抑制了光路的共模噪聲和誤差干擾，將SERF 原子陀螺的靈敏度提高了約1 個(gè)數(shù)量級(jí)。2019年，Quan[42]等提出了一種雙閉環(huán)控制方案，實(shí)現(xiàn)了PEM 諧振頻率跟蹤和調(diào)制幅度控制，較好地抑制了PEM 調(diào)制位相的波動(dòng)問(wèn)題。

圖14 采用基于PEM 的SERF 磁強(qiáng)計(jì)[39]Figure 14 SERF magnetometer with PEM

圖15 采用PEM 的穩(wěn)光強(qiáng)方案[40]Figure 15 Light intensity stabilization scheme with PEM

電光調(diào)制器（EOM）利用晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其中傳輸光的相位、幅度和強(qiáng)度的調(diào)制[43]，配合1/4 波片實(shí)現(xiàn)了線偏振光偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)制。2016年，Hu 等[44]為了解決Faraday 和PEM 調(diào)制器溫度漂移等問(wèn)題，采用精度較高、相位延遲穩(wěn)定的電光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了偏振調(diào)制/解調(diào)光旋角檢測(cè)，獲得了的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖16 所示。探測(cè)激光器的頻率漂移是影響檢測(cè)性能的重要因素，為了提高激光器的頻率穩(wěn)定性，該課題組基于檢測(cè)系統(tǒng)輸出的二倍頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)了激光器的穩(wěn)頻控制，頻率穩(wěn)定性達(dá)30 MHz/0.5 h[45]。

圖16 采用基于EOM 的磁強(qiáng)計(jì)[44]Figure 16 Magnetometer with polarization modulation/demodulation scheme based on EOM modulation

偏振調(diào)制/解調(diào)自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，適合實(shí)驗(yàn)室研究。但由于調(diào)制器本身存在較多不穩(wěn)定性因素，面向超高精度和高穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，往往需要引入更復(fù)雜的測(cè)控手段，這是限制其實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展的主要原因。

2.3 圓偏光干涉差分法

基于偏振光學(xué)理論，偏振態(tài)可以用本征矢量的任意標(biāo)準(zhǔn)正交基來(lái)表征。線偏振光可由左右旋圓偏振光表征，因此采用圓偏振光也可實(shí)現(xiàn)極化氣室原子進(jìn)動(dòng)的檢測(cè)?；谶@個(gè)思想，本課題組于2015年發(fā)明了圓偏光干涉差分法自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，并獲得了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利[46]，在2019年報(bào)道了基于圓偏光干涉差分法的光纖原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究成果[17-19]。理論研究表明：不同于基于線偏振探測(cè)光的自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，采用左右旋圓偏振探測(cè)光，可以通過(guò)檢測(cè)左右旋圓偏振探測(cè)光的位相差實(shí)現(xiàn)自旋進(jìn)動(dòng)的檢測(cè)；采用這種差分檢測(cè)的方法，左右旋圓偏振光經(jīng)過(guò)極化氣室后的位相差是采用線偏振探測(cè)光產(chǎn)生的光旋角的2 倍，基于圓偏光實(shí)現(xiàn)原子進(jìn)動(dòng)檢測(cè)不僅可達(dá)到更高的靈敏度，還可以有效抑制或消除各種干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圓偏光干涉差分法的磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度極限為滿足磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)速的微弱信號(hào)的檢測(cè)需求[47]。

基于圓偏振探測(cè)光的光旋角檢測(cè)方案的光路部分如圖17 所示[17]，LS 為光源、Cir 為環(huán)形器、P 為起偏器、PM 為相位調(diào)制器、PMF 為保偏光纖、Col 為準(zhǔn)直器、QWP 為1/4 波片、R 為反射鏡、PD 為探測(cè)器、Lock-in 為鎖相放大器。該光路與基于Sagnac 干涉儀的反射型電流互感器類(lèi)似。起偏器的保偏尾纖和相位調(diào)制器的保偏尾纖滿足45?對(duì)軸，從而將線偏振光均分為兩個(gè)正交偏振模式。這兩個(gè)正交的偏振模式經(jīng)相位調(diào)制器調(diào)制后分別沿保偏延遲光纜的快、慢軸傳輸，經(jīng)相位延遲器后轉(zhuǎn)換為左、右旋圓偏光，經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后進(jìn)入原子氣室，左旋和右旋圓偏光產(chǎn)生相位差。經(jīng)反射膜反射后沿原光路返回，反射光再次經(jīng)過(guò)原子氣室后，位相差加倍，在起偏器處發(fā)生干涉，經(jīng)環(huán)行器耦合進(jìn)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換?？梢钥闯?，光在同一個(gè)光纖光路中傳輸具有較好的互易性。準(zhǔn)直器前光路為全光纖光路，可以實(shí)現(xiàn)高度集成。兩個(gè)圓偏光各自相位變化為光旋角的2 倍?φ= 2θ，它們之間的相位差為4θ，其輸出干涉信號(hào)表示為

圖17 用于原子自旋進(jìn)動(dòng)探測(cè)的光纖Sagnac 干涉儀系統(tǒng)[17]Figure 17 Sagnac interferometer system for atomic spin precession detection

式中：I為入射到探測(cè)器的光強(qiáng)；φ(t) 和φ(t ?τ) 為相位調(diào)制器的調(diào)制相位；τ為渡越時(shí)間。將該技術(shù)應(yīng)用于SERF 磁強(qiáng)計(jì)，如圖18 所示，采用開(kāi)環(huán)檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量[17]。采用正弦波位相調(diào)制和解調(diào)電路，光旋角的測(cè)量方程為

圖18 SERF 磁強(qiáng)計(jì)示意圖[17]Figure 18 Schematic of SERF magnetometer

式中：J1為貝塞爾函數(shù)；K為轉(zhuǎn)換系數(shù)；φ0為正弦波位相調(diào)制幅值；ωm為正弦波位相調(diào)制頻率。采用該技術(shù)為探測(cè)模塊設(shè)計(jì)帶來(lái)了獨(dú)特的靈活性，有利于集成和陣列化。為了驗(yàn)證該方案的實(shí)用性，還研究了環(huán)境溫度等因素的影響，結(jié)果表明：檢測(cè)光路和系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度和擾動(dòng)不敏感，已具備工程應(yīng)用條件。

為進(jìn)一步提高性能、解決其他方法測(cè)量范圍有限的問(wèn)題，采用光纖陀螺類(lèi)似的閉環(huán)檢測(cè)方案并應(yīng)用于SERF 陀螺[18]，如圖19 和20 所示。在閉環(huán)工作狀態(tài)條件下，輸出數(shù)字量與光旋角成較理想的線性關(guān)系，如下式：

圖19 閉環(huán)光纖干涉儀檢測(cè)方案[18]Figure 19 Closed loop optical fiber interferometric detection scheme

式中：KD為閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)?；诩蓹z測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展了SERF 陀螺響應(yīng)特性研究，在輸入角速度較大時(shí)，SERF 原子陀螺的響應(yīng)為非線性；基于理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了SERF原子陀螺的通用測(cè)量方程為

當(dāng)輸入角速度較小時(shí)，忽略高階小量可以得到式(5) 描述的方程，即式(5) 是本方程的特例。

圖20 SERF 原子陀螺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[18]Figure 20 Experimental system of SERF atomic gyroscope

由于處于SERF 態(tài)的原子氣室具備典型的旋光特性，基于圓偏振探測(cè)光的自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)理論上更適合自旋進(jìn)動(dòng)的檢測(cè)。成熟的光纖陀螺和電流互感器的相關(guān)技術(shù)解決了左右圓偏光的位相差高精度檢測(cè)問(wèn)題，圓偏光干涉差分法結(jié)合反射式工作模式，為原子自旋進(jìn)動(dòng)提供了一種實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)具備陣列化、集成小型的化潛力。采用光纖傳輸使其還具有獨(dú)特的多路遙測(cè)能力。目前的工作主要集中在原理和技術(shù)驗(yàn)證，還需進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化和控制、器件和材料選取等以實(shí)現(xiàn)更高的性能，并推動(dòng)其工程實(shí)用進(jìn)程。

2.4 小 結(jié)

三種原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用潛力如表1 所示。從表1 可以看出，這三類(lèi)檢測(cè)技術(shù)均能較好滿足實(shí)驗(yàn)室條件的原子自旋檢測(cè)要求，其中偏振分光差分法和圓偏光干涉法在實(shí)用化、陣列化和集成化等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在原子自旋傳感器的實(shí)用化研制方面具有較高的潛力。

表1 三種原子自旋檢測(cè)方法對(duì)比Table 1 Comparison of three methods of atomic spin detection

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)SERF 態(tài)原子自旋進(jìn)動(dòng)的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展情況，介紹了目前主流的三種原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)并進(jìn)行了特性考察和分析，其中偏振分光差分法和圓偏光干涉法在實(shí)用化、陣列化和集成化等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著量子傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是中國(guó)對(duì)量子傳感技術(shù)的重點(diǎn)支持和牽引，加快了原子傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的步伐。為了實(shí)現(xiàn)原子自旋傳感器的工程應(yīng)用，在自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)方面，除了開(kāi)展更深入的理論和機(jī)理研究外，還需要加強(qiáng)高性能關(guān)鍵器/部件、關(guān)鍵參數(shù)控制技術(shù)和陣列集成技術(shù)等的研發(fā)，進(jìn)而形成實(shí)用的高性能磁強(qiáng)計(jì)和原子陀螺產(chǎn)品。