基于激光源的高准确度He-Cs光泵磁力仪研究

第1期2019年1月

Vol.14No.1

Jan.2019 Journal of CAEIT

I工程与应用i

doi：10.3969/j.issn.1673-5692.2019.01.019基于激光源的高准确度He・Cs光泵磁力仪研究

石铭▽

（1.中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北宜昌443003；

2.国防科技工业弱磁一级计量站，湖北宜昌443003）

摘要：采用锁定于Cs原子D1线F g=4->F f=3跃迁能级的894nm激光极化了填充有Cs原子和* 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）01-107-04

Research of High-precision He-Cs Optically Pumped

Magnetometer Based on Laser Source

SHI Ming1-2

(1.No.710R&D Institute,CSIC,Yichang443003:

2.1st Class Weak Magnetic Metering Station of NDM,Yichang443003,China)

Abstract:Cs atoms in the atomic absorption chamber filled with Cs and4He atoms has been polarized by 894nm laser locked to F p=4—F e=3energy level of Cs atomic DI level.Metastable4He atoms can be polarized by the spin exchange of4He atoms and polarized Cs atoms.For the indirect method to polarize 4He atoms,light shift owing to direct interaction of4He 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 metastable4He atoms in magnetic field has been designed to realize magnetic measurement.

Key words:optically pumped magnetometer；He-Cs；larmor frequency；high-precision magnetic meas­urement

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。光泵原子磁力仪的早期研究可以追溯到上世纪六十年代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，受能量守恒与选择定则的约束，其在磁场中形成的塞曼子能级间

收稿日期：2018七745修订日期:2018-09-25

108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0.01nT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F g=4—几=3跃迁能级的894nm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F e=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。

62P3/2m F

------:f:Fe=4-----------

6p''、、、

6巾“2Fe=3----------

-4-3-2-10+1+2+3+4

DI894.6nm

Fg=4

6s62S1/2

Fg=3

图1Cs原子的超精细能级结构在外磁场中的

塞曼能级分裂及其在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,在外部磁场中分裂为nij=-1,m j=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