自旋投影噪聲對銫原子磁力儀分辨率的影響

王豐++劉炳勝++張軍海++刑蘇星++張碩

摘 要：介紹了一種全光學的高靈敏度銫原子磁力儀，從理論方面分析了自旋投影噪聲的來源及其產生機理，并計算了噪聲的影響程度。這些研究工作為銫原子磁力儀相關實驗研究的順利進行提供了必要的依據。

關鍵詞：銫原子磁力儀；原子磁力儀靈敏度；自旋投影噪聲；磁場精確測量技術

中圖分類號：P631.2+3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.103

磁場精確測量技術被廣泛應用于醫用科學、軍事工程技術、大氣地球物理學和現代工業等領域，它在其中發揮著非常重要的作用。而提高微弱磁場測量儀的分辨精度是近些年研究的熱點問題之一。20世紀中期，人們基于超導隧道效應，利用新超導材料制成了超導量子干涉磁力儀。其測量分辨率極高，能夠達到飛秒量級，但只有在低溫環境中工作介質才能正常工作。本文選用銫原子作為工作介質，它不在低溫環境中就可以實現高分辨率磁力儀。同時，采用數值計算的方式分析了影響無自旋交換弛豫的銫原子磁力儀靈敏度的因素，并針對自旋投影噪聲與激光頻率失諧的關系進行了數值計算。

1 銫原子磁力儀工作原理

銫原子磁力儀是由抽運激光、檢測激光、氣態銫泡和信號檢測4部分構成的。波長為894 nm右旋圓偏振激光束沿著z軸的正方向傳播，激光束腰斑直徑為4 mm，抽運激光使銫原子產生躍遷。由于其激發態壽命短，電子會自發輻射回到基態上，進而在波長為894 nm的抽運光的持續作用下使所有原子都處于激發態。這樣檢測光經過銫原子氣泡后，通過測量檢測光極化方向旋轉角度就可以知道磁場B的大小。

2 自旋投影噪聲理論分析

由抽運激光與銫原子的相互作用可知，銫原子磁力儀的分辨率受到激光自旋投影噪聲的影響，制約了無自旋交換弛豫銫原子磁力儀分辨率的進一步提高。因此，需要從理論方面入手分析噪聲的來源，并計算其影響程度。

激光的自旋投影噪聲是激光光場粒子性的量子化表現。受海森堡測不準關系的限制，無法去除該噪聲。

銫原子電子的自旋在X方向偏振極化方均根測不準度為：

由激光的自旋投影噪聲表達式可知，銫原子橫向弛豫系數與檢測激光的頻率有關。由此可得，激光的自旋投影噪聲與檢測激光頻率失諧之間的關系——當檢測激光頻率零失諧時，自旋投影噪聲為1.32×10-15 T?Hz-1/2。檢測激光頻率的失諧情況會直接影響銫原子磁力儀的精度。

由激光的自旋投影噪聲表達式可知，自旋投影噪聲不取決于銫原子核的慢化因子，它是受銫原子數密度、氣泡體積和總弛豫的影響。在實驗過程中，分別計算了1×1013 cm-3、1.7×1013 cm-3、2.1×1013 cm-3、5×1013 cm-3的銫原子數密度對應的銫原子磁力儀分辨率，它們分別為1.71×10-15 T?Hz-1/2、1.32×10-15 T?Hz-1/2、1.18×10-15 T?Hz-1/2、0.75×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，銫原子數密度越大，自旋投影的噪聲越小，銫原子磁力儀分辨率越高。同時，計算了0.078 5 cm3、0.117 75 cm3、0.157 00 cm3、0.196 35 cm3的銫原子氣泡的體積對應的銫原子磁力儀分辨率，它們分別為1.31×10-15 T?Hz-1/2、1.09×10-15 T?Hz-1/2、0.93×10-15 T?Hz-1/2和0.83×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，銫原子氣泡的體積越大，自旋投影的噪聲越小。噪聲水平與體積、分子數密度和總弛豫系數是反比例關系。

3 結論

工作人員分析了銫原子磁力儀可知，最優化銫泡的體積為0.157 00 cm3。在銫泡分子數密度為2.1×1013 cm-3的條件下，銫原子磁力儀自旋的投影噪聲大約為1.09 fT?Hz-1/2。這些研究工作為相關工作人員日后進行銫原子磁力儀的實驗研究提供了必要的理論依據。

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〔編輯：白潔〕