氦光泵磁力仪的应用与发展研究综述
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２ ０ １ ６ 年第 ４期
声学与电子工程
总第 １ ２ ４期
氦光泵磁力 仪 的应用 与发展研 究综述
吴 文Baidu Nhomakorabea福 袁 皓
（ １ ． 第七 一五研 究所 ，杭 州，３ １ ０ ０ ２ ３ ）
（ ２ ． 中国船舶 重工 集团公 司规 划发展 战略研 究 中心 ，北京 ，１ ０ ０ ８ ６ １ ）
所产 生 的赛 曼 效应 ， 进 而 实 现对 外磁 场 进 行 高灵 敏
度测 量 的 仪器 统称 。 基 于 氦 原子 的磁 力 仪 技术 发 展
历 时 已久 ，第 一套 商 用 的氦 原 子磁 力 仪 出现 于 ２ ０
世纪 ６ ０年 代 ， 由美 国德 州 仪器 公 司研 发 。早 期 的
敏度 高 、可工 作 于常 温 等优 势 。
原 子磁 力 仪 是 利 用 原 子 能 级 在 外 磁 场 作 用 下
依 此 计 算 出磁场 值 。 为 了测 出磁 距进 动 频 率 既 ， 可 采 取 的方 法 有射 频 驱 动和 光 驱 动 。 本 文 以射 频 驱 动 为 例 说 明磁 力仪 工 作 的原 理 。
图 １ 原子在磁 距 中的进 动示意 图
Ｉ Ｉ
氦原 子 磁力 仪采 用 气 体放 电灯作 为 光源 ，随着 ２ ０ 世纪 ８ ０ 年 代 以来 不 断 发展 成 熟 的 固 体激 光 器 技 术、 半 导体 激 光器 技 术 以及 光纤 激 光器 技 术 ，使得 利 用 激 光 器 代 替 传 统 气 体放 电灯 作 为 氦原 子 磁 力 仪 的光 源 成 为可 能 【 。 相较 于 气 体 放 电灯 ，激 光 具 有 强度 高 、波长 可调 谐 、单色 性好 等 优 势 。理论 及 实验 研 究均 表 明， 利 用 激光 作 为 光源 ， 会使 得 磁 力 仪 的探 测灵 敏 度提 高 两个 量 级 。发展 至 今 ， 激 光 光 泵氦 原 子磁 力 仪 已得 到广 泛 应用 ， 尤其 是在 军 事 以及 空 间探测 领 域 ， 氦 原子 光泵 磁 力 仪都 占据 着 不 可 替代 的地 位 【 。
亚 稳态 ２ Ｓ １ 上 ＭＦ ＝Ｉ的原子 不 发 生跃 迁 ， 最 后大 多
原子 系 统 ，当在 ｚ 方 向存在 静 磁场 时 ，原子 磁 距 绕 磁 场进 行 进动 ，角 动量 为 Ｍ，但 是 每个 原 子 的
数 原子 处 于亚 稳 态 ２ Ｓ １ 上 产 ｌ的磁 能 级 上 ， 达 到 粒 子数 反 转 的动 态 平衡 状 态 。 此 时 原 子系 统 不 再 吸 收光能， 透 射 光 强达 到 最 大 。在 Ｘ方 向加 上射 频 扫
摘 要 阐述氦光泵磁 力仪的工作 原理，并对其在 国内外 的应用 现状进行 了 比较 ，简单概 括我 国发 展磁力
仪 的研 究方 向和技术难 点。
关键 词 氦 光 泵磁 力仪 ： 应 用 现 状 ： 发 展 趋 势 ： 综述
磁 力仪 是一 种 可测 量 其所 处 位 置磁 场值 、 磁场
（ 『 ２ 卢 ，其 ｛ ｌ Ｊ ｈ为普 朗 兜常 数 ，， ’ 为射 频 频 ， ｇ
为 朗德 冈子 ， 为波 尔磁 ， 为磁 场 ｆ ｌ ｝ ｆ ）时 原子 发 受激 辐 射 ， 粒 数 反转 被 破坏 导 致 系统 又重新 吸收 光 能 以实现 粒 予数 反转 ，此 时透 射 比 减 小 ， ４所 示 为磁 』 振 信 。 通 过 信号 ｛ 二 Ｊ Ｊ Ｉ ‘ 】 定频 率 的渊 制 ， 可 实现 对最 大信 号 的跟 踪 ，从 ｆ 跟踪 磁
１ 基 本 原 理 概 述
原 子磁 力 仪 是通 过测 量 Ｈｅ 、Ｈｅ 和 碱金 属 的 ｃ ｓ 、Ｒ ｂ 、 等原子的磁距在磁场 中的进动频 率 从而 计算 出磁场 值 的仪 器 。 如 图 ｌ所 示 ， 对 一 个
发态 ２ Ｐ １ 上 ，然 后 又 回落 到亚 稳 态 ２ Ｓ 】 上 。因 为
为旋 磁 比。此 时原 子 能级 发 生分 裂 ，图 ２为氦 原 子 的塞 曼 效应 能级 图 。只 要测 出进 动频 率 ，就 可
梯度 、磁倾 角 、 磁 偏角 的仪器 ， 常 用于 地质 、 矿产、
石油、 古遗址的勘探和金属产品内部缺 陷检测 。 俄 罗斯 曾用 磁 力仪 成 功预 报 了地 震 ， 高 灵 敏度 的磁 力 仪 还 可用 于脑 部 和 心脏 的疾 病 诊 断 。 磁 力仪 的种 类 包 括磁 通 门磁 力 仪 、 质 子旋 进 磁力 仪 、 超 导磁 力 仪 、 原 子 磁 力 仪 ， 它 们 的静 态 灵 敏 度 分 别 为 １ ０ ０ ｐ Ｔ ／ ｑ Ｈ ｚ 、５ ０ ｐ Ｔ ／ ｑ Ｈ ｚ 、１ ｆ／ ｑ Ｈ ｚ 、１ ０ ｆ ］ ｒ ／ Ｈｚ级别 。 其 中 ，原子 磁力 仪 中 的光 泵磁 力 仪具 有 体积 小 、灵
进动相位并不一致 ，进动频率为：
＝ ，其 中
关文福 等 ：氦 光泵磁 力仪 的应 用 与发展 研 究综 述
频 信 号 ， 当 射 频 号 的 能 付 磁 能 级 能 牛 Ｈ 等
ＣＳ Ｌ 、Ｃ Ｓ — ｖＬ 平 ¨Ｃ Ｓ 一 ３ 等 铯 光泵 磁 力 仪 。其 Ｉ ， ，
ｌ
， 、
，
，
、
ｌ
ｃ ） ， Ｄ ％
，
、
图 ２ 氦 原 子 在 磁 场 中 的 能 级 图
射 频 驱 动 Ｍｚ磁力 仪 如 图 ３所 示 ， 以氦光 泵 （ ｒ ＝ ２ ８ ． ０ ２ ３ ５ Ｈｚ／ ｎ Ｔ）为 例 ，假 设 磁场 方 向为 ｚ ， 在 ｚ方 向加 上 波长 为 Ｄ１ 跃 迁线 的左旋 圆偏 振泵 浦 光 （ 同时 作 为 探 测 光 ） 。根 据 跃 迁 定 则 ，亚 稳 态 ２ Ｓ 】 上 塞 曼 能级 ＭＦ ＝ ０ 、 声一 ｌ上 的 原子 跃 迁 到激
声学与电子工程
总第 １ ２ ４期
氦光泵磁力 仪 的应用 与发展研 究综述
吴 文Baidu Nhomakorabea福 袁 皓
（ １ ． 第七 一五研 究所 ，杭 州，３ １ ０ ０ ２ ３ ）
（ ２ ． 中国船舶 重工 集团公 司规 划发展 战略研 究 中心 ，北京 ，１ ０ ０ ８ ６ １ ）
所产 生 的赛 曼 效应 ， 进 而 实 现对 外磁 场 进 行 高灵 敏
度测 量 的 仪器 统称 。 基 于 氦 原子 的磁 力 仪 技术 发 展
历 时 已久 ，第 一套 商 用 的氦 原 子磁 力 仪 出现 于 ２ ０
世纪 ６ ０年 代 ， 由美 国德 州 仪器 公 司研 发 。早 期 的
敏度 高 、可工 作 于常 温 等优 势 。
原 子磁 力 仪 是 利 用 原 子 能 级 在 外 磁 场 作 用 下
依 此 计 算 出磁场 值 。 为 了测 出磁 距进 动 频 率 既 ， 可 采 取 的方 法 有射 频 驱 动和 光 驱 动 。 本 文 以射 频 驱 动 为 例 说 明磁 力仪 工 作 的原 理 。
图 １ 原子在磁 距 中的进 动示意 图
Ｉ Ｉ
氦原 子 磁力 仪采 用 气 体放 电灯作 为 光源 ，随着 ２ ０ 世纪 ８ ０ 年 代 以来 不 断 发展 成 熟 的 固 体激 光 器 技 术、 半 导体 激 光器 技 术 以及 光纤 激 光器 技 术 ，使得 利 用 激 光 器 代 替 传 统 气 体放 电灯 作 为 氦原 子 磁 力 仪 的光 源 成 为可 能 【 。 相较 于 气 体 放 电灯 ，激 光 具 有 强度 高 、波长 可调 谐 、单色 性好 等 优 势 。理论 及 实验 研 究均 表 明， 利 用 激光 作 为 光源 ， 会使 得 磁 力 仪 的探 测灵 敏 度提 高 两个 量 级 。发展 至 今 ， 激 光 光 泵氦 原 子磁 力 仪 已得 到广 泛 应用 ， 尤其 是在 军 事 以及 空 间探测 领 域 ， 氦 原子 光泵 磁 力 仪都 占据 着 不 可 替代 的地 位 【 。
亚 稳态 ２ Ｓ １ 上 ＭＦ ＝Ｉ的原子 不 发 生跃 迁 ， 最 后大 多
原子 系 统 ，当在 ｚ 方 向存在 静 磁场 时 ，原子 磁 距 绕 磁 场进 行 进动 ，角 动量 为 Ｍ，但 是 每个 原 子 的
数 原子 处 于亚 稳 态 ２ Ｓ １ 上 产 ｌ的磁 能 级 上 ， 达 到 粒 子数 反 转 的动 态 平衡 状 态 。 此 时 原 子系 统 不 再 吸 收光能， 透 射 光 强达 到 最 大 。在 Ｘ方 向加 上射 频 扫
摘 要 阐述氦光泵磁 力仪的工作 原理，并对其在 国内外 的应用 现状进行 了 比较 ，简单概 括我 国发 展磁力
仪 的研 究方 向和技术难 点。
关键 词 氦 光 泵磁 力仪 ： 应 用 现 状 ： 发 展 趋 势 ： 综述
磁 力仪 是一 种 可测 量 其所 处 位 置磁 场值 、 磁场
（ 『 ２ 卢 ，其 ｛ ｌ Ｊ ｈ为普 朗 兜常 数 ，， ’ 为射 频 频 ， ｇ
为 朗德 冈子 ， 为波 尔磁 ， 为磁 场 ｆ ｌ ｝ ｆ ）时 原子 发 受激 辐 射 ， 粒 数 反转 被 破坏 导 致 系统 又重新 吸收 光 能 以实现 粒 予数 反转 ，此 时透 射 比 减 小 ， ４所 示 为磁 』 振 信 。 通 过 信号 ｛ 二 Ｊ Ｊ Ｉ ‘ 】 定频 率 的渊 制 ， 可 实现 对最 大信 号 的跟 踪 ，从 ｆ 跟踪 磁
１ 基 本 原 理 概 述
原 子磁 力 仪 是通 过测 量 Ｈｅ 、Ｈｅ 和 碱金 属 的 ｃ ｓ 、Ｒ ｂ 、 等原子的磁距在磁场 中的进动频 率 从而 计算 出磁场 值 的仪 器 。 如 图 ｌ所 示 ， 对 一 个
发态 ２ Ｐ １ 上 ，然 后 又 回落 到亚 稳 态 ２ Ｓ 】 上 。因 为
为旋 磁 比。此 时原 子 能级 发 生分 裂 ，图 ２为氦 原 子 的塞 曼 效应 能级 图 。只 要测 出进 动频 率 ，就 可
梯度 、磁倾 角 、 磁 偏角 的仪器 ， 常 用于 地质 、 矿产、
石油、 古遗址的勘探和金属产品内部缺 陷检测 。 俄 罗斯 曾用 磁 力仪 成 功预 报 了地 震 ， 高 灵 敏度 的磁 力 仪 还 可用 于脑 部 和 心脏 的疾 病 诊 断 。 磁 力仪 的种 类 包 括磁 通 门磁 力 仪 、 质 子旋 进 磁力 仪 、 超 导磁 力 仪 、 原 子 磁 力 仪 ， 它 们 的静 态 灵 敏 度 分 别 为 １ ０ ０ ｐ Ｔ ／ ｑ Ｈ ｚ 、５ ０ ｐ Ｔ ／ ｑ Ｈ ｚ 、１ ｆ／ ｑ Ｈ ｚ 、１ ０ ｆ ］ ｒ ／ Ｈｚ级别 。 其 中 ，原子 磁力 仪 中 的光 泵磁 力 仪具 有 体积 小 、灵
进动相位并不一致 ，进动频率为：
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频 信 号 ， 当 射 频 号 的 能 付 磁 能 级 能 牛 Ｈ 等
ＣＳ Ｌ 、Ｃ Ｓ — ｖＬ 平 ¨Ｃ Ｓ 一 ３ 等 铯 光泵 磁 力 仪 。其 Ｉ ， ，
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图 ２ 氦 原 子 在 磁 场 中 的 能 级 图
射 频 驱 动 Ｍｚ磁力 仪 如 图 ３所 示 ， 以氦光 泵 （ ｒ ＝ ２ ８ ． ０ ２ ３ ５ Ｈｚ／ ｎ Ｔ）为 例 ，假 设 磁场 方 向为 ｚ ， 在 ｚ方 向加 上 波长 为 Ｄ１ 跃 迁线 的左旋 圆偏 振泵 浦 光 （ 同时 作 为 探 测 光 ） 。根 据 跃 迁 定 则 ，亚 稳 态 ２ Ｓ 】 上 塞 曼 能级 ＭＦ ＝ ０ 、 声一 ｌ上 的 原子 跃 迁 到激