激光泵浦銫-氦磁強計的噪聲抑制

伏吉慶孔 嘉程華富

（1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.杭州電子科技大學理學院，杭州 310018；3.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

1 引言

銫-氦磁強計是一種被設計用于高準確度測量磁場的量子磁強計。在目前的磁強計分類中，質子磁強計和光泵原子磁強計以高準確性著稱，在計量和勘探領域得到廣泛應用。質子磁強計利用質子旋磁比物理常數測量磁場，被稱為“絕對磁強計”。然而在地磁范圍內其靈敏度已經受限，準確度難以突破0.1 nT。光泵磁強計在弱磁場中以其超高靈敏度受到學界廣泛關注，然而這種磁強計在泵浦光照射時會產生約1 nT 的光致轉向誤差，導致其準確度一直無法超越質子磁強計。上世紀90 年代前蘇聯科學家通過將堿金屬銫和氦原子的混合氣室作為工作物質研發了一種銫-氦磁強計［1］，利用間接光泵浦技術［2］，從原理上消除了光致轉向誤差，使光泵磁強計的準確度得到大幅提升，成為當時在地磁范圍內準確度最高的磁強計［3］，同時由于其磁場測量值對溫度、光強、調制強度等參數的變化不敏感［4，5］，擁有非常好的計量學性質，因此被多個國家應用在國家基準磁場裝置中［6，7］。

基于該技術，俄羅斯國家計量院VNIIM 建設的銫-氦基準磁強計的準確度在地磁范圍內可以達到約0.01 nT，受限于其靈敏度［5，6］。因此降低噪聲，提高靈敏度是進一步提升銫-氦磁強計準確度的關鍵［8，9］。

為進一步提高銫-氦磁強計的靈敏度，搭建了一套銫-氦磁強計試驗系統，通過單模激光產生的窄線寬的D1 線共振激光，提升對銫原子的泵浦效率，從而增大銫-氦磁強計的信號幅值。同時對磁測量的噪聲成分進行測試和分析，研究進一步降低測量噪聲、提高信噪比的方法。

2 銫-氦磁強計試驗裝置

銫-氦磁強計裝置示意圖如圖1 所示，主要由895 nm 的DBR 激光器提供泵浦光源，銫-氦氣室、光電探測器、激勵電極和控制電路等組成的傳感器模塊組成［9］。

圖1 激光泵銫-氦磁強計結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser-pumped Cs-He magnetometer

激光光束首先被塞曼飽和吸收鎖頻模塊鎖頻，利用調整光路將光斑整形為直徑1 cm 的圓偏振光，最終射入銫-氦氣室。利用頻率為50 MHz、重復頻率為1 kHz 的脈沖微波激勵亞穩態氦原子。亞穩態氦原子通過和自旋方向已經被光極化的銫原子發生潘寧碰撞和自旋交換碰撞來完成自旋極化［2］。

垂直于光傳播方向施加了用于誘導原子自旋在塞曼子能級間發生共振躍遷的交變磁場，從而構成MZ型磁強計［10］。

磁共振信號通過一個光電探測器和5 MΩ 的跨導放大器轉換為電壓信號，再通過鎖相放大器進一步解調并輸出磁場測量值。

整個傳感器被放置在中國計量院的復式亥姆霍茲線圈系統中，該磁場系統可提供地磁（20～100）μT范圍內的高穩定度（磁場波動峰峰值3 pT）、高均勻度（10 cm 范圍內一致性優于0.05 nT）的標準磁場B0。

3 試驗信號及分析

3.1 信號幅值與線寬

首先對銫-氦磁強計的磁共振信號進行優化。通過大量試驗，可以得到信號強度對溫度、調制強度和脈沖放電強度的關聯性［9］，在36 ℃，施加約0.7 mW／cm2的泵浦光，在地磁場附近，可以得到如圖2 所示的經鎖相放大器解調后的一階諧振磁共振信號。

圖2 銫-氦磁強計共振信號圖Fig.2 Resonance signal of the Cs-He magnetometer

從圖2 中可以看出，磁共振信號的振幅A為0.4V，半腰半寬ΔB為25 nT。圖2 中，共振中心附近信號斜率經擬合為5.4 nA／nT。而傳統的放電燈泵浦式銫-氦磁強計的轉換因子約為0.91 nA／nT［4］，銣-氦磁強計的轉換因子為1.75 nA／nT［11］，鉀-氦磁強計的轉換因子為1.67 nA／nT［12］。相比之下，研制的激光泵浦式銫-氦光泵磁強計的轉換因子增大了5 倍以上。

傳統的光泵磁強計中，泵浦光在提供極化原子的同時，也會造成功率展寬，因此需要將光強調節到一個最佳值。太弱不足以極化所有原子，使信號變弱，太強又會使信號增寬，使信號中心的斜率減小，都不利于靈敏度的提升。然而在銫-氦光泵磁強計中，由于氦原子沒有直接被激光極化，而是通過與銫原子的碰撞完成極化過程的，因此泵浦光導致的信號衰減和線寬增寬效應都消失了。

考察了光強與信號幅值和線寬的關系。由于在地磁范圍內的試驗裝置引入光纖，無法使光強在大范圍調節，為研究光強的影響，將試驗裝置放置在磁屏蔽筒中，施加1 000 nT 磁場，將光纖改變為自由空間射入的泵浦光，并將跨導放大器減小為10 kΩ。如圖3 所示可以看到，隨著光強的增加，信號幅值A會隨之增大，并趨于飽和，而信號線寬ΔB在隨泵浦光增大而快速增大到25 nT 左右后的很大范圍內是和泵浦光強無關的。這種信號特征說明很大范圍內，光強的改變對信號輸出不造成影響，即信號對光強的波動不敏感，這一點對開發實用儀器尤為重要。

圖3 光強與信號幅值、線寬關系圖Fig.3 Relation between light intensity and signal amplitude and line width

3.2 最佳光強

如圖3 結果，銫-氦磁強計信號在很大范圍內不會因為光強的增大而減小，但這并不意味著光強越大越好。因為激光的散粒噪聲也會隨著光強的增大而增大。磁強計的靈敏度δB定義［13］為：

式中：ΔB——信號線寬；A——信號幅值；N——噪聲水平。

在130 Hz 處測量了帶寬為1 Hz 的激光噪聲水平與光強的關系，如圖4 所示。其中十字黑線為靈敏度，空心圓線為信號斜率，空心三角線為噪聲水平。內嵌圖中綠色曲線，噪聲水平和光強基本成線性關系。

圖4 靈敏度與信號斜率、噪聲、光強的關系圖Fig.4 Relation between sensitivity and slope，noise and light intensity

從圖4 內嵌圖中的空心圓線可以看出，雖然隨著光強增大，磁強計的磁場轉換因子S也增大，但光強超過1 mW／cm2后，S的增速減慢并逐漸收斂到一個最大值。但是光強的噪聲卻隨光強的增加而線性增加。因此有一個最佳的光強，使信噪比達到最佳值。在目前的試驗系統中，該光強為0.7 mW／cm2。

3.3 噪聲分析

根據圖4 可知系統最大的噪聲來源為激光的功率漲落。為降低光源的噪聲，設計了一套激光穩定模塊，在泵浦光即將射入銫-氦氣室之前，1 ∶1 的分出一部分泵浦光進行光強波動的監測，再加入一個聲光調制器（AOM）通過調幅來抑制光強的波動。

首先，測量了DC～200 Hz 頻段光強的噪聲功率密度譜（PSD），如圖5 所示。其中紅色虛線為光強的自由波動噪聲，經過閉環鎖定后，變為紅色實線的噪聲。黑色虛線和實線分別為真正射入原子氣室的工作泵浦光開環和閉環的噪聲功率密度譜。從圖中可以看出，加入閉環后，工作光在（50～200）Hz 范圍內降低了2 個數量級的噪聲。在（10～50）Hz 范圍內降低了至少1 個數量級的噪聲水平。信號噪聲是疊加了所有噪聲來源后的總噪聲。從測量結果可以看出，光電探測器的噪聲（藍線）和信號采集電路的噪聲（綠線）存在較大的50 Hz，100 Hz，150 Hz的工頻噪聲。光電探測器和信號采集電路總的本底噪聲比閉環后的光強噪聲小1 個數量級。

圖5 激光噪聲的功率密度譜圖Fig.5 The power spectral density（PSD）of laser's noise

由于銫-氦磁強計的響應速度較慢，將磁信號的時域噪聲峰峰值進行對比。如圖6 所示，對比了在進行激光降噪和不進行激光降噪時磁信號噪聲峰峰值的區別。可以明顯看出，開啟降噪后，噪聲峰峰值降低到了0.02 nT 以內，不進行光學降噪時，銫-氦磁強計的噪聲達到了約0.3 nT 的峰峰值。

圖6 抑制激光噪聲前后磁場時域信號對比圖Fig.6 Comparison of magnetic field time domain signals before and after laser noise suppression

這里需要值得注意的是，圖6 的時域噪聲是在地磁環境下，施加光強主動降噪后測得，而圖4 的噪聲估計值是在磁屏蔽筒中利用自由空間光測得。雖然磁屏蔽筒可以屏蔽高頻磁場波動，但是低頻磁場的波動難以較好抑制，同時，在磁屏蔽筒中產生待測磁場B0時，會引入電流源的噪聲，磁場噪聲峰峰值約為0.1 nT。而圖6 的B0是通過中國計量科學研究院的3 m 線圈系統利用自激光泵磁強計穩場得到，其磁場的穩定性由磁強計的本底噪聲決定，磁場噪聲峰峰值達到了0.003 nT。因此圖6 得到的噪聲優于圖4 的噪聲水平。

通過減小背景磁場的波動、提高激光輸出功率的穩定性，激光泵浦式的銫-氦光泵磁強計靈敏度超越了傳統放電燈5 倍以上，目前分辨率達到了0.02 nT，為進一步提高其準確度提供了技術支持。

4 結束語

搭建的激光泵浦式銫-氦光泵磁強計，相比傳統燈泵式銫-氦磁強計，磁共振信號的靈敏度提高了5 倍。通過對各種試驗要素的噪聲的測量，發現光源的功率漲落是噪聲的主導因素，并給出了可以達到最佳信噪比的光強值。對銫-氦磁強計的極限噪聲進行分析，結果表明優化光源的穩定性可以將銫-氦光泵磁強計的分辨率提升一個數量級。鑒于目前銫-氦磁強計的準確度主要受限于其靈敏度［14］，所研制的激光泵浦式銫-氦磁強計有很大潛力進一步提升磁強計的準確度。將銫-氦磁強計替代質子磁強計作為主標準器，有望將恒定弱磁場標準裝置的測量不確定度（k＝2）由目前的（0.3～0.6）nT提升到（0.03～0.05）nT 甚至更優。