无盲区铯光泵磁力仪研究

无盲区铯光泵磁力仪研究

本文设计了一种铯光泵磁力仪探头，这种探头采用单光源和4个原子吸收室的设计，可以克服Mz结构、Mx结构以及Bell-bloom结构等类型光泵磁力仪所固有的盲区特性。当光泵磁力仪探头与磁场之间的夹角在一定范围时，磁力仪获取不到信号，产生盲区，本探头结构对任意方向的磁场均能正常工作，且采用单光源与凹面镜的设计，具有结构简单、体积较小的技术特点。

标签：盲区;光泵磁力仪;Cs原子

0 引言

光泵原子磁力仪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[1]。共振光源用于极化原子使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。

碱金属或氦原子能级在弱磁场中产生塞曼分裂，能级分裂大小与磁场大小成正比。在热平衡条件下，各塞曼子能级遵从波尔兹曼分布，各能级接近均匀分布。在光泵浦作用下，特定偏振状态的光被工作原子吸收，原子对光的吸收在满足能量守恒的同时还受到选择定则的约束，原子热平衡状态在光泵浦作用下被打破而产生一定的自旋取向，在光传播方向上形成宏观磁矩。宏观磁矩使原子在磁场中受到力矩作用，其围绕磁场作拉莫尔进动，进动频率与磁场成正比，可表示为ω=γB，γ为旋磁比。利用射频线圈产生的射频频率与拉莫尔频率产生共振的方法，或者利用对激光波长、强度或偏振态的调制频率与拉莫尔频率产生共振的方法，通过信号检测系统获取拉莫尔频率，根据其与磁场的正比例关系，得到磁场大小[2-3]。

以磁场方向为z方向，磁场与光传播方向的夹角用θ表示，信号大小与θ角相关。对于Mz结构光泵原子磁力仪，信号大小与cos2θ成正比，当θ=0o、180o 时，信号最大，而当θ=90o、270o时，信号为0，产生盲区。对于Mx结构光泵原子磁力仪，信号大小与sinθcosθ成正比，当θ=45o、135o、225o、315o时，信号最大，而当θ=0o、90o、180o、270o时，信号为0，产生盲区。对于Bell-bloom 结构光泵原子磁力仪，信号大小与sin2θ成正比，当θ=90o、270o时，信号最大，而当θ=0o、180o时，信号为0，产生盲区[4-5]。

在实际应用中，由于待测磁场未知，当磁场与仪器间的角度处于或接近盲区时，导致信号很小甚至没有信号，需要不断调节仪器方位。本文设计了一种单光源四吸收室结构的铯原子光泵探头，该结构对任意方向的磁场均能正常工作，且采用单光源与凹面镜的设计，结构简单。

1 工作原理

在没有光泵浦作用时，133Cs原子基态Fg=3和Fg=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Fg=3→Fe=4的左旋圆偏振光与铯原子作用时，根据跃迁选择定则，对于左旋圆偏振光只有满足ΔmF=+1的两个塞曼子能级间可以产生跃迁，因此基态Fg=3的粒子数会被泵浦至激发态Fe=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Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能级上。回落到基态Fg=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Fg=3上的粒子数会被抽空，全被泵浦至Fg=4线上，并且在|Fg=4，mF=4>塞曼子能级上的粒子数最多。从而使Fg=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。

2 系统设计

如图2、3所示，本文设计的光泵原子磁力仪探头，包括凹面9、原子光谱灯3、光电探测器1以及四个单元;光电探测器1和原子光谱灯3均位于凹面镜9的主轴上，两者与凹面镜9的距离分别为v、u，u

每个单元从原子光谱灯3方向到光电探测器1的方向依次包括共轴布置的凹透镜8、偏振片7、1/4波片6、原子吸收室5以及凸透镜4;由于遮挡，从原子光谱灯3发出的光线不能直接被光电探测器1接受，而是经过凹面镜9反射后经过单元后被光电探测器1检测，原子光谱灯3与光电探测器1需满足凹面镜成像條件1/u+1/v=2/R，因此，光电探测器1可在像点处进行探测。从凹面镜9反射入各单元的光线会聚于光电探测器1，为了使光线在进入吸收室5之前变为平行光，凹透镜8满足条件S2=f2其中，S2为凹透镜8与光电探测器1之间的距离，f2为凹透镜8的焦距），平行光束经过偏振片7与1/4波片6变为特定圆偏振光，这种圆偏振光使原子吸收室5中的原子极化，产生宏观磁矩，宏观磁矩绕外磁场作拉莫尔进动（进动频率与磁场大小成正比），采用射频场或者对入射光进行调制等与原子气体产生共振的方法，通过光电探测器1的检测即可以获取拉莫尔进动频率和磁场大小信号。为了使经过原子吸收室5后的光线被光电探测器1有效检测，凸透镜4满足条件S1=f1，其中，S1为凸透镜4与光电探测器1的距离，f1为凸透镜4的焦距。分别为第一、二、三、四单元光路主轴线，其与凹面镜9成像主轴的夹角均为θ=20°。在这种情况下，如果外界磁场与O1间的夹角（如Mx结构，夹角在0o附近）形成盲区，第一单元不能产生有效信号，但在其他单元可以产生有效信号，因而能够消除测试盲区，实现对各个方向上磁场的测量。

3 结束语

本文设计了一种单光源和四个原子吸收室结构的探头，单一光源经凹面镜反射成像与4个原子吸收室相互作用，经过4个吸收室的光线会聚于同一光电探测器上，凸透镜、原子吸收室、1/4波片、偏振片和凹透镜的主轴方向与凹面镜的主轴方向的夹角θ=200，凹透镜离光电探测器的距离S2与凹透镜的焦距f2满足S2=f2，凸透镜离光电探测器的距离S1与凸透镜的焦距f1满足S1=f1，这种结构

能克服光泵磁力仪的盲区特性。

参考文献

[1] Happer W. Optical Pumping[J]. Rev. Mod. Phy，1972. 44（2）：169-249.

[2] Arnold L. Bloom. Principles of Operation of the Rubidium Vapor Magnetometer[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] S. Groeger，G. Bison，A. Weis. Design and Performance of Laser-Pumped Cs-Magnetometers for the Planned UCN EDM Experiment at PSI[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，2005. 110（3）：179-183.

[5] 张军海，向康，梅红松，等. 全光高灵敏度Bell-Bloom磁力仪的实现和优化[J]. 光电子. 激光，2015. 26（2）：211-216.