基于激光源的高准确度He-Cs光泵磁力仪研究

He原子混合原子吸收室中的Cs原子，然后通过Cs原子和°He原子的自旋交换作用使得亚稳态\" He原子产生极化。这种采用间接方式实现\"He原子极化的方法，可以避免* He原子与光源直接作

用产生的光频移，能够非常有效地减小共振线宽和实现高准确度磁场测量。设计了自旋极化的亚

稳态\"He原子在磁场中的拉莫尔频率检测电路以实现磁场测量。关键词：光泵磁力仪；He-Cs；拉莫尔频率；高准确度磁场测量中图分类号:TM936/P631. 23

文献标识码：A

文章编号：1673-5692（2019）01-107-04Research of High-precision He-Cs Optically Pumped

Magnetometer Based on Laser SourceSHI Ming1-2(1. No. 710 R&D Institute, CSIC, Yichang 443003:2. 1 st Class Weak Magnetic Metering Station of NDM , Yichang 443003 , China)Abstract: Cs atoms in the atomic absorption chamber filled with Cs and 4 He atoms has been polarized by

4nm laser locked to Fp =4—Fe = 3 energy level of Cs atomic DI level. Metastable 4He atoms can be polarized by the spin exchange of 4 He atoms and polarized Cs atoms. For the indirect method to polarize

4 He atoms, light shift owing to direct interaction of 4 He atoms and light source can be avoided , then reso­nance linewidth can be decreased effectively and high-precision magnetic measurement can be realized. Larmor frequency detection circuit of metastable 4 He atoms in magnetic field has been designed to realize

magnetic measurement.Key words: optically pumped magnetometer ； He - Cs ； larmor frequency ； high-precision magnetic meas­urement子磁力仪的早期研究可以追溯到上世纪六十年

o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⑴。共振光源用于极化原子使

代2匕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r4_61o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

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

收稿日期：2018七745

选择定则的约束，其在磁场中形成的塞曼子能级间修订日期:2018-09-25108申塚电，纽琴科噫膻増和I2019年第1期的平衡被打破，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a”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®（等于拉莫尔进动频率 时，达到共振增强的效果\"。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GEOMET- RICS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. InT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. Dmitriev⑻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. 01 nT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⑼，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—几=3

跃迁能级的4 nm激光与填充有Cs原子和\"He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\"He

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，①Cs原子基态耳=3和

Fe =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线你=3-＞几=4的左 旋圆偏振光与钙原子作用时，根据跃迁选择定则，对

于左旋圆偏振光只有满足 g= +1的两个塞曼子

能级间可以产生跃迁，因此基态F* =3的粒子数会 被泵浦至激发态耳=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

耳=3和F*=4符合△\"“=（）, ±1的塞曼子能级上。 回落到基态件=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。最终耳=3上的粒 子数会被抽空，全被泵浦至J =4线上，并且在 IF* =4,m” = 4 ＞塞曼子能级上的粒子数最多。从

而使你=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。62P3/2

mF-4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4------:f : Fe=4-----------

6p ''、、、6巾“2 Fe=3----------

DI 4.6 nmFg=46s 62S1/2Fg=3图1 Cs原子的超精细能级结构在外磁场中的

塞曼能级及其在D1线F* =3—人=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\"He原子能级示意

图，由于\"He原子在基态时角动量丿=0,不能被极 化，因此，实际工作中，通过激励电路使\"He原子从

基态激发到亚稳态，亚稳态角动量•/ = 1 ,在外部磁 场中为nij = - 1 ,mj =0,® = 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\"He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

拉莫尔频率再由磁场与拉莫尔进动频率的正比

例关系（3 =yB）得到磁场大小。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2019年第1期石 铭:基于激光源的高准确度He-Cs光泵磁力仪研究+1109激发态仝L0 -I+1滤光和产生偏振。亚稳态激励电路用于使He - Cs 气室中的'He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

0-1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

图2 He原子能级示意图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

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、

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。3信号分析与处理、M 一=yM,Z丿XB、、B「、M\"丿4He原子经过与Cs原子的自旋交换作用达到

(4)

平衡时，在激光方向上(z方向)形成宏观磁矩Mo,

儿和N分别为横向和纵向驰豫时间，6为光抽运时间，根据上式，可以得到：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：T = M x B

M =冋1 _

(1)丁叨笳S2 )t” I 1 + y2B^S,S2 + (% -川)£丿(5)

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：AP其中，为射频磁场幅值，3『为射频磁场频率,

(2)1/S, =1/T, +1/Tp,l/S2 =1/72 +1/t„o 由光电探测

〒=丁 = M x B dt芈=yM x B

由 P = M/y,即：(3)器检测的透射光强与他成正比，因此信号可以表示

为如下图所示的洛伦兹线形曲线：由图可知，当3” = %时形成共振，吸收曲线产

y为\"He原子旋磁比，考虑驰豫作用和光极化

生极值，为了通过电路读取共振频率信号，对射频信

作用,可以表示为如下矩阵形式：号进行调制，表示如下：110图4 'He原子共振吸收谱线3：； = 3孑 + 3』COS(3,”t) (6)吗和3,”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3寸=叽时, 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〃 =3,/y。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2019年第1期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。参考文献:[1 ] Happer W. Optical Pumping J . Rev. Mod. Phy,

1972. 44(2) ：169-249.[2 ] Aniokl L. Bloom. Principles of Operation of the Rubidi­

um Vapor Magnetometer J j. Applied Optics, 1962. 1

(1) :61-68.[3 ] William E. Bell, Arnold L. Bloom. Optically Driven

Spin Precession [ j Physical Review Letters, 1961. 6 (6) ：280-281.[4 j Xi Chen, Wei Quan, Li hong Duan, et al. Design and re­

alization of beam collimation system for semiconductor la­

ser in atomic magnetometer [J • Proc, of SPIE, 2015. 9671(967114) ：l-6.[5 ] S. Arach, G. Ban, G. Bison, et al. Highly stable atom­

ic vector magnetometer based on free spin pression | J

Optics Express. 2015. 23( 17) ：22108-22115.[6 ] Ji-Qi ng Fu, Peng-Cheng Du, Qi ng Zhou et al. Spin dy­

namics of potassium magnetometer in spin-exchange relax­

ation free regime [ J ]. Chin. Phys. B. 2016,25 ( 1 )： 010302.[7 ] A. A. Baranov, S. V. Ermak, E. A. Sagitov, et al.

Double Resonance Fequency Light Shift Compensation in Optically Oriented Laser-Pumped Alkali Atoms [ J ]. Jour­nal of Experimental and Theoretical Physics. 2015. 121

(3) ：393403.[8 ] S. P. Dmitriev, R. A. Zhitnikov, A. I. Okunevich.

Effect of Penning collisions between optically oriented Rl)

and He atoms on electron density in plama J . Sov.

Phys. -JETP, 1976. 43( 1) ：35-39.[9] S. Groeger, A. S. Pazgalev, A, Weis. Comparision of

discharge lamp and laser pumped cesium magnetometers [J]. Applied Physics B, 2005. 80：5-654.作者简介石铭(1985—),男，湖北人，博士，

主要研究方向为光电磁检测方面的工作E-mail: shimingl()4@ 163. com