高靈敏度弱磁傳感器研究*

曾憲金， 李慶萌， 趙文輝， 張軍海， 孫偉民

(哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

磁傳感器在生物醫學、資源探測、地震災害預警等領域有著廣泛的應用[1～3]。隨著對磁場探測精度越來越高的要求，磁傳感器的性能也不斷的提高。從最常用的霍爾效應磁傳感器、磁阻傳感器、磁通門磁傳感器到超導量子干涉(SQUID)器件和基于巨磁阻效應的磁傳感器，磁傳感器技術不斷的向前發展。其中，SQUID長期占據著磁傳感器中最高靈敏度的位置。但這種磁傳感器體積龐大，需要液氦制冷，裝備和維護費用都非常昂貴，極大地限制了其應用范圍。最近十幾年來，出現了基于原子自旋磁矩與磁場相互作用的原子弱磁傳感器，其靈敏度已經超越了SQUID[4,5]。由于原子磁傳感器超高的靈敏度，且不需要苛刻的工作條件，自其一出現便受到了廣泛關注[6～8]。

目前,靈敏度最高的原子弱磁傳感器是工作于無自旋交換弛豫機制下的。為了消除自旋交換弛豫，需要將原子氣室加熱到很高的溫度(>100 ℃)，這時原子氣室對光的吸收很強。因此,需要將檢測激光鎖定到遠離原子共振線的頻率上，通常采用法布里—珀羅腔(F—P cavity)對激光進行穩頻。但F—P腔對溫度，振動等都非常敏感，這給實際應用帶來了很大的困難。為了避免這些問題，本文提出了一種基于激光強度調制和圓二向色性檢測方案的銫(Cs)原子磁傳感器。這種原子磁傳感器可以工作在40 ℃的較低溫度下，激光頻率可以通過飽和吸收譜技術很容易地穩定在原子的共振線上，并且仍然具有很高的靈敏度。

1 工作原理

原子弱磁傳感器是通過測量原子自旋磁矩在外磁場中的拉莫進動頻率來反映磁場大小的。其工作原理如圖1所示，一束圓偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光傳播方向極化，一束線偏振的檢測激光沿垂直于泵浦光的方向檢測原子的極化投影。在沒有外磁場時，原子自旋極化在檢測光方向沒有投影，線偏振光保持原來的偏振態經過原子氣室。當有垂直于泵浦光和檢測光平面的外磁場存在時，原子自旋磁矩在磁場的作用下做拉莫進動，極化矢量繞磁場旋轉，在檢測光方向形成投影。極化的原子對線偏振檢測光的左右旋分量的折射或吸收不同，使通過原子氣室的檢測光偏振面發生旋轉或橢圓率改變。當泵浦光的調制頻率等于拉莫進動頻率時，旋轉角或橢圓率變化最大。通過檢測偏振面旋轉角或橢圓率變化即可確定拉莫進動頻率[9]。進動頻率與磁場大小呈正比，其關系式為ωL=γB，其中,ωL為拉莫進動頻率，γ=3.5 Hz/nT為銫原子的旋磁比，B為磁感應強度。

圖1 原子弱磁傳感器的原理

原子自旋極化矢量在繞磁場轉動的過程中會由于各種弛豫機制產生衰減，其極化矢量隨時間的演化可由光學布洛赫方程描述[10]

(1)

原子弱磁傳感器實際檢測到的信號是極化矢量在檢測光方向的投影，即Px。為了提高信噪比，通常將EOM的調制信號作為參考信號，與平衡探測器輸出信號做鎖相放大處理。輸出信號為

(2)

(3)

公式(2)代表參考信號與探測器輸出信號相位差為90°時的輸出，即正交信號。其中,Δω為譜線寬度，ω為激光強度的調制頻率，ω0為磁場對應的拉莫進動頻率。公式(3)代表參考信號與探測器輸出信號相位差為0 時的輸出，即同相信號。從式中可以看出:采用激光強度調制的原子弱磁傳感器的正交信號呈現出洛倫茲吸收線型，同相信號表現出色散線型。

2 系統構成

2. 1 光路結構

原子弱磁傳感器系統主要包括激光器及其穩頻系統、Cs原子氣室、無磁溫控系統、磁屏蔽裝置、圓二向色性檢測光路和數字頻率跟蹤系統，其具體光路結構如圖2所示。激光器經過光隔離器后通過飽和吸收譜(saturated absorption spectrum，SAS)光路進行穩頻，泵浦光鎖定在Cs原子D1線上，檢測光鎖定在Cs原子D2線上。泵浦光經過電光調制器(electro-optical modulator，EOM)后，激光強度被調制。為了增加有效作用面積，在泵浦光進入Cs原子氣室前對其進行了擴束。通過一個偏振棱鏡和λ/4波片后，泵浦光變成圓偏振光使Cs原子極化。檢測光經過偏振棱鏡后變成線偏振光進入Cs原子氣室。透過原子氣室后，經過一個λ/4波片和Wollaston棱鏡后，對Cs原子氣室的圓二向色性進行檢測，通過分光束檢測法，將橢圓率變化轉換為偏振面的旋轉。當泵浦光調制頻率等于拉莫進動頻率時，旋轉角最大，平衡探測器的輸出信號幅度最大。

圖2 原子弱磁傳感器的光路結構

2.2 無磁溫控系統

為了避免雜散磁場的影響，Cs原子氣室放置于一個三層磁屏蔽筒中,磁屏蔽筒由高導磁率的坡莫合金制成，屏蔽系數能達到105，使屏蔽筒內剩磁小低于1 nT。原子弱磁傳感器的標準磁場由放置于磁屏蔽筒內的一對亥姆霍茲線圈產生,亥姆霍茲線圈產生的磁場與泵浦光和檢測光方向垂直。由于原子弱磁傳感器對磁場非常敏感，在磁傳感部分應盡量避免磁性物質存在,通常的電加熱等方式容易引入磁場，給磁傳感器帶來額外的噪聲。為了對Cs原子氣室實現完全無磁性加熱，本文采用了熱氣流加熱方式，并設計制作了由聚四氟乙烯材料構成的雙層熱氣流加熱室。原子氣室內溫度采用光纖光柵進行監測。

2.3 Cs原子氣室

原子氣室是原子弱磁傳感器最為核心的部分，氣室的參數決定著磁傳感器的性能。為了盡量減小原子與氣壁之間的碰撞，Cs原子氣室中充入了約200 Torr的He作為緩沖氣體。如圖3所示為Cs原子氣室，其直徑為30 mm。為了避免直接充入球形氣室后固態Cs在氣室內沉積，導致極化的Cs原子與固態Cs之間的碰撞，開始時將Cs充入外側的儲存室內。由于毛細管的存在，固態Cs不會進入到球形氣室。在使用時，通過加熱儲存室使Cs變成氣態，從而通過毛細管進入球形氣室中。

圖3 Cs原子氣室

3 實驗結果分析

為驗證Cs原子弱磁傳感器的性能，首先對系統的響應譜線進行了測量。在泵浦光強為0.6 mW/cm2，檢測光為0.03 mW/cm2，Cs原子氣室溫度為40 ℃，磁場約95 nT的條件下，采用方波對EOM進行頻率掃描。如圖4所示為原子弱磁傳感器的磁共振譜線，同相信號呈現色散曲線，正交信號呈現洛倫茲吸收線型。從中可以看出:磁共振譜線的線寬約為22 Hz。色散譜線的峰峰值越高，線寬約窄，則在待測磁場處的斜率越大，說明原子弱磁傳感器對磁場越敏感，即磁傳感器的靈敏度越高。

圖4 磁共振譜線

上述譜線說明了原子弱磁傳感器的物理系統能達到的性能，但尚未構成閉環的原子弱磁傳感器系統。原子弱磁傳感器是通過自動頻率跟蹤系統實時辨別和跟蹤拉莫進動頻率，從而輸出磁場值的。由上圖可知，色散譜線的特點是斜率大，當激光強度調制頻率等于拉莫進動頻率時，信號幅值為0。自動頻率跟蹤系統即是基于對色散譜線零點的實時跟蹤來確定拉莫頻率的。為對完整的原子弱磁傳感器的性能進行評價，在恒定磁場下，記錄了原子弱磁傳感器實時的測量值。如圖5所示，數據為采樣率在5 Hz時，對穩定磁場進行30 min連續測量得出的。從中可以看出:Cs原子弱磁傳感器的峰峰值抖動在9 pT以內。

圖5 原子弱磁傳感器測試數據

原子弱磁傳感器的靈敏度可采用Allan方差進行分析

(4)

其中，BAllan為原子弱磁傳感器的靈敏度，Bi為測量數據點，N為數據個數，τ為采樣時間間隔。Cs原子弱磁傳感器的采樣率為5 Hz，采樣間隔為0.2 s，將圖5中的數據代入上式可得Cs原子弱磁傳感器的靈敏度BAllan=0.12 pT/Hz1/2。

4 結 論

本文提出了一種基于激光強度調制和圓二向色性檢測的Cs原子弱磁傳感器方案，避免了通常的射頻場調制方案引入的磁共振線寬增寬，解決了遠離共振檢測時激光頻率鎖定的困難。介紹了Cs原子弱磁傳感器的系統構成，并進行了實際測試分析。在30 min內對穩定磁場進行連續測量的峰峰值抖動小于9 pT，靈敏度達到了0.12 pT/Hz1/2。

參考文獻:

[1]Xia H,Ben-Amar Baranga A,Hoffman D.Magnetoencephalography with an atomic magnetometer[J].Applied Physics Letters,2006,89(21):211104.

[2]袁桂琴,熊盛青,孟慶敏,等.地球物理勘查技術與應用研究[J].地質學報,2011,85(11):1744-1805.

[3]陳運泰.地震預測—進展,困難與前景[J].地震地磁觀測與研究,2007,28(2):1-24.

[4]Kominis I K,Kornack T W,Allred J C,et al.A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer[J].Nature,2003,422(6932):596-599.

[5]Dang H B,Maloof A C,Romalis M V.Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer[J].Applied Physics Letters,2010,97(15):151110.

[6]Li Shuguang,Xu Yunfei,Wang Zhaoying,et al.Experimental investigation on a highly sensitive atomic magnetometer[J].Chinese Physics Letters,2009,26(6):067805.

[7]Liu Guobin,Du Runchang,Liu Chaoyang,et al.CPT magnetometer with atomic energy level modulation[J].Chinese Physics Le-tters,2008,25(2):472-474.

[8]Zhang Junhai,Liu Qiang,Zeng Xianjin,et al.All-optical cesium atomic magnetometer with high sensitivity[J].Chinese Physics Letters,2012,29(6):068501.

[9]Budker D,Romalis M.Optical magnetometry[J].Nature Physics,2007,3(4):227-234.

[10] Ledbetter M P,Savukov I M,Acosta V M,et al.Spin-exchange-relaxation-free magnetometry with Cs vapor[J].Physical Review A,2008,77(3):033408P.