超高灵敏度原子磁力仪

海洋地球物理学名词解释一、海洋地球物理学总论海洋地球物理学marine geophysics：研究地球被海水覆盖部分的物理性质及其与地球组成、构造关系的地球物理学分支学科。

海洋地球物理勘探marine geophysics prospecting：简称“海洋物探”。

通过地球物理勘探方法研究海洋和海洋地质的工作。

海洋地球物理调查marine geophysical survey：利用物理学方法和仪器，测量海底地球物理性质及其变化特征，从而得出海底地质构造和矿产分布的调查方法。

海洋大地测量学marine geodesy：研究和确定海面地形、海底地形和海洋重力场及其变化的大地测量学分支学科。

海洋地质学marine geology：研究地壳被海水覆盖部分的物质组成、地质构造和演化规律的地质学与海洋学的边缘分支学科。

研究内容涉及海岸与海底的地形、海洋沉积物、洋底岩石、海底构造、大洋地质历史和海底矿产资源。

导航系统navigation system：覆盖全球的自主地理空间定位的卫星系统。

可以用小巧的电子接收器确定它的所在位置(经度、纬度和高度)，并且经由卫星广播沿着视线方向传送的时间信号精确到10m的范围内。

接收机计算的精确时间以及位置，可以作为科学实验的参考。

多普勒极定位Doppler pole position：利用多普勒频移效应进行定位的方法。

多普勒导航系统Doppler navigation system：利用多普勒频移效应实现无线电导航的机载设备。

由多普勒雷达、天线阵列、导航计算机和控制显示器组成。

惯性导航inertial navigation：依据惯性原理，利用惯性元件(加速度计)测量运载体本身的加速度，经过积分等运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位目的的工作。

海上定位系统marine positioning system：为船舶安全航行、海道测量、海洋资源勘探等提供精准定位服务的系统。

原子磁力仪系统高增益平衡光电探测器的设计张鹏;陈洪娟;桂永雷;孙立凯【摘要】In order to achieve precision detection of the weak,divergent and fast modulated optical signal in atomic magnetometer systems and overcome the disadvantages of traditional balanced detectors with small light-receiving areas,small gains,nonadjustable center distances between eachpair of photodiodes and incompatible with free space optical signal detection,anapproachbased on Kirchhoff's law of balanced differential amplification and a fine tuning methodbased on parallel tracks pads are adopted.Ahigh-gain balanced photodetectorisdesigned and produced,and the working principle and structure composition are introduced.First,for the features of large spot divergence and high modulation rate,a high-speed photodi ode with a 10 mm×10 mm large light-receiving area isdetermined;then a pair of parallel track padswhich enabledouble-diode center spaceto be continuously adjusted from 20 mm to 60 mm isdesigned,which enhancesthe compatibilitywith a variety of optical systems;Finally,a two-stage amplifier circuit is designed to achieve the high gain characteristic.Experimental results show that the detector achieves a-3 dB bandwidth of 800 kHz,a signal transimpedance gain of 0.91 MΩ,and a ***************************,thisbalancedphotodetectorfairly meets the needs of optical signal detection of atomic magnetometer systems.%为了实现对原子磁力仪系统中微弱、发散、快速调制的光信号的精密检测,克服传统平衡探测器接光面积小、增益小、光电管间距不可调及与自由空间光信号探测不兼容等缺点,采用基于基尔霍夫定律的平衡差分放大法和基于平行轨道焊盘的精调方法,设计并制作了高增益平衡光电探测器,并介绍了其工作原理和结构组成.首先,针对光斑发散大和调制速率快的特点确定了具有10mm×10mm大接光面积的高速光电管;然后设计了双管中心间距从20~60mm连续可调的平行轨道焊盘,增强其对各种光学系统的兼容性;最后,利用两级放大电路设计实现了高增益特性.实验结果表明,该探测器-3dB带宽达到800kHz,信号跨阻增益达0.91MΩ,在70kHz时的信噪比为38.5dB,能够满足原子磁力仪系统光信号检测的要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)006【总页数】6页(P755-760)【关键词】平衡光电探测器;原子磁力仪;接光面积;高增益;信噪比【作者】张鹏;陈洪娟;桂永雷;孙立凯【作者单位】哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247平衡光电探测器是一种基于平衡零差探测技术和光电探测技术的新型差分式光电探测器,因其具有高共模抑制比、高速和高灵敏度特性而成为平衡零拍探测技术的核心器件。

髭堕￡￡！磁基返篮曼笪叁量坌堑⑧指导教师签名：—］垂陋论文作者签名：銎雪兰论文评阅人１：评阅人２：评阅人３：评阅人４：评阅人５：答辩委员会主席：委员１：委员２：委员３：委员４：委员５：浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂．或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：磊习殳签字日期：钞Ｉ＿年９月叼日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝’江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段缣存、汇编学位论文。

（保密的学位沦文在解密后适用本授权书）擎能沦义律者签名：翟翻炭导师签名：签字翻翻：伽年ｆ月叼目厂≥矿》９辫魄劭１２年ｈ刁日浙江大学硕士学位论文摘要摘要磁场探测技术是研究与磁现象有关物理现象的重要手段，已经逐渐形成一门独立的学科。

在科学研究、国防建设、工业生产、生物医疗科学、日常生活等领域，磁场的测量尤其是弱磁场的测量技术，常常发挥着不可替代的重要作用。

目前，国内外常见的弱磁场测量仪器种类繁多，但是它们各自受到精度高低、体积大小、功耗多少以及经济等诸多方面因素的影响，使得其应用范围受到一定的限制。

但是最近发展起来的ｃＰＴ（ｃｏｈｅｒｅｎｔｐｏｐｕｌａｒｉｏｎｔｒａｐｐｉｎｇ相干布居囚禁）磁力仪具有精度高、体积小、功耗低等特点，因此引起了各国科研工作者的关注。

在本文的工作中，我们主要对这种高灵敏度ＣＰＴ原子磁力仪进行了研究，分别对其工作原理、实验装置、实验结果进行相关的研究和分析。

并根据实验结果详细分析了影响其灵敏度的相关因素，并据此对实验方法提出了改进方案。

高稳定激光原子磁力仪恒流源电路设计陈立杰;黄光明;杨国卿【摘要】针对用于原子磁力仪的895 nm VCSEL激光器,提出了一种电路结构简单,高稳定性的压控恒流源电路.此电路使用了一种巧妙的精密恒流源电路与一种常见的压控微电流源电路相并联,在保证高稳定性和一定精度的基础上,实现了低成本、小体积和低功耗.通过实验检测表明,恒流源的稳定性优于10-6A(最大波动0.35μA),电流步进连续可调,电路面积为4.5 cm ×4.5 cm,最大功耗为468 mW,能够很好地满足小型激光泵浦的原子磁力仪对激光器的控制要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)008【总页数】7页(P1007-1013)【关键词】高稳定性;VCSEL激光器;恒流源;磁力仪【作者】陈立杰;黄光明;杨国卿【作者单位】华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉430079;华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉430079;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN7071 引言高精度的激光泵浦原子磁力仪是分析和测量磁场的有效工具,学科交叉研究的开展使相关的弱磁测量技术发展迅速,高精度磁测技术在地球物理勘探、地质灾害预报、海陆矿藏勘测、环境监测和生物医药等领域展现出巨大的潜力。

同时不同的应用领域对原子光泵磁力仪控制系统的功耗和体积提出了不同的要求[1-2]。

原子磁力仪系统的光源部分主要由半导体激光器及相关控制器、光路元件组成。

激光器在磁力仪中非常重要,是光源部分的核心组件[3]。

在激光器的应用过程中,需要激光器有较高的功率稳定性以及激光的波长稳定性,驱动电流的稳定和温度都会引起激光器的功率和波长变化。

因此设计能够稳定激光器工作温度与输出功率的驱动电路非常必要[4-6]。

虽然很多的高精度商用电流源(比如Anglent的B2902A)都可以满足对激光器电流的控制精度和稳定性要求,但是商用电流源通常价格昂贵,体积和功耗都比较大,不适合集成到自主研发的磁力仪当中。

工作原理
标准碱蒸汽磁力仪包括一个含有挥发性碱金属（如碱原子）的玻璃核。

根据量子论，每个碱原子群内均有一组价电子分布。

这些价电子分为2个能量级，以下分别以数字1,2表示。

蒸汽核利用某个特定波段的光来激发来自2-3级间的电子，使之成为活跃电子。

该操作可减少（称为极化效应）拥有2级电子的原子的数量。

如此一来，原子核便停止吸收光从而转回透明状态。

第三级电子极其不稳定且不断衰减，最后回到1级与2级状态。

如此一来，1级空间富含电子而2级空间则处于无电子状态。

此时，射频（RF）去极化效应开始登场。

利用一个特定波段的RF能量以产生1、2级能量差，从而使1级电子返回2级状态。

去极化操作的目的在于使1、2级间的能量差与磁场值可直接成一定比例。

系统可检测到光强度随核由非透明与透明间转换时而发生的变化并可测量出相应变化频率。

该频率值随后可转换成磁场单位值。

抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究缪培贤;杨世宇;王剑祥;廉吉庆;涂建辉;杨炜;崔敬忠【摘要】报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 nT的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.%We report a rubidium atomic magnetometer based on pump-probe nonlinear magneto-optical rotation. The rubid-ium vapor cell is placed in a five-layer magnetic shield with inner coils that can generate uniform magnetic fields along the direction of pump beam, and the cell is also placed in the center of a Helmholtz coil that can generate an oscillating magnetic field perpendicular to the direction of pump beam. The atoms are optically pumped by circularly polarized pump beam along a constant magnetic field in a period of time, then the pump beam is turned off and a π/2 pulse of oscillating magnetic fiel d for 87Rb atoms is applied. After the above process, the individual atomic magnetic moments become phase coherent, resulting in a transverse magnetization vector precessing at the Larmor frequency in the mag-netic field. The linearly polarized probingbeam is perpendicular to the direction of magnetic field, and can be seen as a superposition of the left and right circularly polarized light. Because of the different absorptions and dispersions of the left and right circularly polarized light by rubidium atoms, the polarization direction of probing beam rotates when probing beam passes through rubidium vapor cell. The rotation of the polarization is subsequently converted into an electric signal through a polarizing beam splitter. Finally, the decay signal related to the transverse magnetization vector is measured. The Larmor frequency proportional to magnetic field is obtained by the Fourier transform of the decay signal. The value of magnetic field is calculated from the formula: B =(2π/γ)f , where γ and f are the gyromagnetic ratio and Larmor frequency, respectively. In order to measure the magnetic field in a wide range, the tracking lock mode is proposed and tested. The atomic magnetometer can track the magnetic field jump of 1000 nT or 10000 nT, indicating that the atomic magnetometer has strong locking ability and can be easily locked after start-up. The main performances in different magnetic fields are tested. The results show that the measurement range of the atomic magnetometer is from 100 nT to 100000 nT, the extreme sensitivity is 0.2 pT/Hz1/2, and the magnetic field resolution is 0.1 pT. The transverse relaxation times of the transverse magnetization vector in different magnetic fields are obtained, and the relaxation time decreases with the increase of the magnetic field. When the measurement range is from 5000 nT to 100000 nT, the magnetic field sampling rate of the atomic magnetometer can be adjusted in a range from 1 Hz to 1000 Hz. Theatomic magnetometer in high sampling rate can measure weak alternating magnetic field at low frequency. This paper provides an important reference for developing the atomic magnetometer with large measurement range, high sensitivity and high sampling rate.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)016【总页数】11页(P47-57)【关键词】原子磁力仪;非线性磁光旋转;灵敏度;磁场采样率【作者】缪培贤;杨世宇;王剑祥;廉吉庆;涂建辉;杨炜;崔敬忠【作者单位】兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州730000【正文语种】中文报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 nT的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.高灵敏度的原子磁力仪在生物医学[1,2]、惯性导航[3,4]、军事磁异反潜[5]、基础物理研究等[6−9]领域具有重要的应用.目前国际上出现了Mz和Mx模式的光泵磁力仪、相干布居囚禁磁力仪、非线性磁光旋转(nonlinear magneto-optical rotation,NMOR)磁力仪、无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)磁力仪等多种原子磁力仪[10],其中SERF磁力仪灵敏度已达到fT/Hz1/2量级[11−13].近年来,国内有多家单位开展了原子磁力仪的研究.例如浙江大学研制了铷光泵磁力仪,零磁场附近灵敏度达到0.5 pT/Hz1/2[14];北京大学详细讨论了铯光泵磁力仪的参数优化问题,得到最优的灵敏度为2.5 pT/Hz1/2[15];国防科学技术大学研制了NMOR铷原子磁力仪,测量范围为±60 nT,灵敏度达到1 pT/Hz1/2[16],后来经过进一步优化实验条件,灵敏度达到0.2 pT/Hz1/2[17].总体而言,国内原子磁力仪的研制还处于起步阶段,在灵敏度、测量范围、磁场采样率等指标上还有很大的提升空间[18].本文系统地研究了抽运-检测型的NMOR铷原子磁力仪,测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT,磁场采样率最高可达1000 Hz.研究的NMOR铷原子磁力仪用两束激光完成外磁场中原子系综极化态的制备与探测,圆偏振抽运光与外磁场平行,线偏振探测光与外磁场垂直.铷原子磁力仪采用87Rb原子D1线跃迁制备极化态原子介质,即基态52S1/2到第一激发态的52P1/2的跃迁,对应波长为795 nm.基态52S1/2的两个精细能级分别是52S1/2(Mj=−1/2)和52S1/2(Mj=+1/2),795 nm的左旋圆偏振光(σ+光子)可被处于52S1/2(Mj= −1/2)基态的87Rb原子吸收,使得87Rb原子跃迁到52P1/2(Mj=+1/2)激发态上,激发态87Rb原子通过辐射光子后跃迁到52S1/2(Mj=−1/2)或52S1/2(Mj=+1/2)基态上,左旋圆偏振光持续作用将使铷泡内绝大部分87Rb原子最终处于52S1/2(Mj=+1/2)基态上.同理,右旋圆偏振光(σ−光子)持续作用将使铷泡内绝大部分87Rb原子最终处于52S1/2(Mj=−1/2)态上.这样,圆偏振的抽运光完成了原子系综极化态的制备.这里引入二能级磁共振的经典物理图像来解释NMOR铷原子磁力仪的工作原理[19].经过抽运光作用后,极化态的87Rb原子磁矩与外磁场B近似平行或反平行.在与外磁场垂直的平面内施加角频率ω约等于拉莫尔进动频率ω0的激励磁场B′[19],原子磁矩将在实验室坐标系中做复杂的运动,而在以角频率ω旋转的转动坐标系中,原子磁矩绕B′做进动.由于铷泡内原子间频繁的碰撞,在激励磁场的作用下使大部分铷原子磁矩绕外磁场进动的相位角趋于一致,原子系综呈现出绕外磁场进动的宏观磁化强度[20].原子磁矩在旋转坐标系中进动π角度时,相当于在外磁场B量子化轴方向上原子发生了磁共振跃迁.如果激励磁场持续作用,87Rb原子将在两个基态能级间来回跃迁.本文NMOR铷原子磁力仪要求原子磁矩在旋转坐标系中进动π/2角度,即原子系综宏观磁化强度进动到与外磁场B垂直的平面内,然后关闭激励磁场.线偏振光可以看作是左、右圆偏振光的矢量叠加,当线偏振的探测光穿过铷泡时,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致线偏振光的偏振方向会随着原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动而相对原来偏振方向做摆动,用差分探测方式探测偏振光偏振方向的摆动即可获得原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号,并由此信号傅里叶变换出拉莫尔进动频率.由外磁场B与拉莫尔进动频率f的依赖关系可获得外磁场大小[18]:其中γ是旋磁比.对于87Rb原子,γ/2π的值为6.99583 Hz/nT[18].NMOR铷原子磁力仪要求探测光不能过于破坏原子系综的极化态,显然探测光的频率不能等于87Rb原子的D1线跃迁频率.我们在实验中设定探测光频率相对于87Rb原子的D1线跃迁频率红失谐4 GHz.研制的NMOR铷原子磁力仪如图1所示.铷泡为Φ25 mm×50 mm的圆柱型气室,气室中充有100 Torr的氮气缓冲气体,采用交流无磁加热使铷泡工作在100◦C.待测外磁场B方向与抽运光方向平行,与探测光方向垂直.实验时抽运激光被扩束为10 mm×30 mm的长方形光斑,光强为20µW/mm2;探测光为直径2mm的圆斑,进入铷泡前光功率为100µW.原子磁力仪具体工作过程是:795 nm抽运激光经过声光调制器AOM和1/4玻片形成圆偏振光,扩束后作用在铷泡上,将87Rb原子磁矩抽运在与外磁场平行的方向上;抽运激光作用一段时间后关闭,用信号源给亥姆霍兹线圈输入特定时长的正弦交变信号以产生原理部分描述的激励磁场,驱动87Rb原子磁矩在与外磁场垂直的平面内绕外磁场B做拉莫尔进动;红失谐的探测激光经过偏振片,成为线偏振光穿过铷泡,用偏振分光棱镜(PBS)、光电探测器、差分放大电路、美国NI公司的PCI-5922数据采集卡和计算机中编写的Labview程序实现铷原子拉莫尔进动信号的提取及处理,得到外磁场大小.计算机可设定数字信号处理(DSP)模块的时序组合,实现磁场采样率的设定.DSP给声光调制器AOM、信号源和PCI-5922数据采集卡输入电平触发信号,分别控制作用于铷泡的抽运激光开或关、正弦交变磁场开或关以及PCI-5922数据采集卡的采集触发.图1中铷泡、铷泡加热模块、亥姆霍兹线圈被置于五层坡莫合金的磁屏蔽筒内,磁屏蔽筒内含有可产生精密待测磁场的线圈.本文系统地研究了NMOR铷原子磁力仪的测量范围、灵敏度、分辨率、磁场采样率这些性能指标.在具体介绍这些内容之前,有必要先描述原子磁力仪的时序控制过程及跟踪式锁频过程.首先介绍原子磁力仪时序控制过程.图2显示了NMOR铷原子磁力仪在关闭抽运光后不同时长激励磁场的作用效果,外磁场环境为10000 nT.在原理部分描述到,如果抽运光作用结束后激励磁场持续作用,87Rb原子将在两个基态能级间来回跃迁.图2(a)激励磁场作用10 ms,反映了该物理过程.图2(a)中插图显示了0.5 Ms时间内的测试结果,一个包络终止代表着87Rb原子在外磁场量子化轴方向上两个基态能级间的一次跃迁.将激励磁场作用时间设定为0.1 Ms,即原子系综的宏观磁化强度进动到与外磁场垂直的平面内,测试结果如图2(b)所示,由自由弛豫过程中的正弦信号可傅里叶变换出拉莫尔进动频率.图3(a)显示了NMOR铷原子磁力仪工作时的时序示意图;图3(b)显示在10000 nT磁场环境下获得的实测数据,原子磁力仪的工作周期T=10ms,抽运激光作用时长t1=3 ms,激励磁场作用时长t2=0.1Ms,该时序磁场采样率为100 Hz;图3(c)是图3(b)中的部分曲线的放大.其次介绍原子磁力仪跟踪式锁频过程,该过程在Labview程序中完成.Labview程序在每一个原子磁力仪工作周期内能够获得拉莫尔进动频率和外磁场数值,将前一个工作周期中获得的拉莫尔进动频率设定为下一个工作周期中信号源的输出频率,即实现了跟踪式锁频.本文描述的原子磁力仪跟踪式锁频方法与Mz光泵磁力仪不同,即使激励磁场振荡频率偏离拉莫尔进动频率很远,只要特定时长激励磁场的作用能够使原子系综横向磁化强度矢量不为零,本文描述的原子磁力仪就能够实现跟踪式锁频.为了验证跟踪式锁频能力,设计这样的实验:设定原子磁力仪工作时序为T=100Ms,t1=30ms,t2=0.1Ms.设定激励磁场振荡频率为70 kHz,对应约10000 nT的测量磁场.保持激励磁场振荡频率不改变,改变线圈电流,使测量磁场从5000nT增加至15000 nT.图4(a)显示激励磁场关闭后磁力仪获得的自由弛豫正弦信号最大振幅随着扫描磁场的变化,可以看出在10000 nT附近自由弛豫正弦信号振幅最大.从原理上讲,只要横向磁化矢量不为零,铷泡中的铷原子就能够对线偏振光中左、右圆偏成分实现吸收和色散,通过差分探测获得与磁场相关的自由弛豫正弦振荡信号.横向磁化矢量越大,会使自由弛豫正弦振荡信号的振幅越大.在工作原理部分我们重点描述了激励磁场振荡角频率ω约等于拉莫尔进动角频率ω0的情况,实际上当ω与ω0相差较大时,在转动坐标系中原子磁矩会感受一有效磁场(有效磁场的描述详见参考文献[19])的作用,且在转动坐标系中磁矩进动角频率ω1为[19]可以分析,设定ω0=ω时特定时长的激励磁场作用满足π/2的脉冲效果,使横向磁化矢量最大;而后因外界磁场改变导致ω0与ω相差较大时,在特定时长内激励磁场的作用效果ω1t2可能会出现3π/2+δ,5π/2+δ′等脉冲效果,其中δ或δ′的绝对值小于等于π/2,在转动坐标系中该脉冲效果使原子磁矩在与外磁场垂直平面内的投影矢量的模达到最大值,即横向磁化矢量达到极大值,因此图4(a)中在10000 nT两侧出现若干峰值也不难理解.图4(b)显示在上述扫描磁场过程中磁力仪输出的磁场值,在自由弛豫正弦信号振幅最小时易出现与外磁场无关的数据,图4(b)中若干跳点输出磁场值用(1)式换算成频率,发现该频率正好等于铷泡交流无磁加热的输出频率.图4(b)的实验结果表明,如果该原子磁力仪在跟踪式锁频模式下工作,在很宽的磁场范围内磁力仪能够实现瞬时锁定.设定磁场线圈电流使磁屏蔽筒内磁场在10000 nT 和9000 nT,或者50000 nT和40000 nT之间来回跃变,采用跟踪式锁频模式,实验结果如图4(c)和图4(d)所示,表明该原子磁力仪对1000 nT或10000 nT的跃变磁场能够实现瞬时锁定,分别对应着7 kHz或70 kHz的频率跃变.上述实验结果表明本文描述的原子磁力仪跟踪式闭环锁定可行,而且具有很强的闭环锁定能力.接下来详细介绍NMOR铷原子磁力仪的各项性能指标.1)磁场测量范围本文的NMOR铷原子磁力仪用精密电流源给磁屏蔽筒中的磁场线圈通入逐渐增加的电流I来检验磁场测量范围,采用跟踪式锁频模式测量外磁场B的大小,测试结果如图5所示.原子磁力仪可响应100—100000 nT范围内的磁场.图5中数据线性拟合结果为从表达式(3)可知,当线圈电流I为零时,磁屏蔽筒内有约27 nT的剩余磁场.2)灵敏度和分辨率本文采用磁场噪声功率谱密度(@1 Hz)来表征原子磁力仪的灵敏度.值得注意的是,目前一些文献采用功率谱或者均方根幅度谱来表征原子磁力仪的灵敏度,从物理意义上来说是不准确的.功率谱密度使测量独立于信号持续时间和采样数量,通过功率谱密度测量可检测信号的本底噪声.若采用功率谱或均方根幅度谱,我们在实验中发现随着采样时间的延长会得到更优的灵敏度指标,显然用于表征原子磁力仪的灵敏度指标不合理.首先分析500 nT外磁场环境下如何获得磁力仪的灵敏度指标.图6(a)显示了截取的自由弛豫正弦信号,代表经过铷泡的线偏振探测光偏振方向的摆动.图6(b)是图6(a)中数据的快速傅里叶变换(FFT),分析出的拉莫尔进动频率为3.5 kHz,对应着约500 nT的外磁场.图6(c)表示300 s时间内采集的磁场数据,磁场采样频率为10 Hz,磁场波动小于10 pT.图6(c)中插图部分显示了4 s时间内的磁场数据,原子磁力仪的磁场分辨率为0.1 pT.图6(d)是由图6(c)中磁场数据处理得到的噪声功率谱密度,用1 Hz频点附近11个数据的平均值代表原子磁力仪的灵敏度,得到灵敏度指标为0.2 pT/Hz1/2.本研究采用美国安捷伦科技公司的B2912 A型精密电流源产生待测磁场,电流源精度为10−6,当电流源输出的量程值分别为1MA,10MA,100MA,1 A时,分别对应着1 nA,10 nA,100 nA,1µA的电流分辨率.原子磁力仪测量的磁场由电流源产生,因此电流源的噪声将反映在磁力仪灵敏度指标测试中.图7显示了磁力仪灵敏度指标和线圈电流与外磁场大小的依赖关系.当I＞100 MA时,磁力仪灵敏度约为12pT/Hz1/2,对应电流分辨率为1µA;当10 MA＜I＜100 MA时(图中阴影部分),磁力仪灵敏度约为1 pT/Hz1/2,对应电流分辨率为100 nA;当1MA＜I＜10 MA时,磁力仪灵敏度约为0.2 pT/Hz1/2,对应电流分辨率为10 nA;特殊地,当I＜1 MA时,在50 nT磁场环境中磁力仪的灵敏度依旧为0.2 pT/Hz1/2,此时对应电流分辨率为1 nA.综上所述,本文的NMOR铷原子磁力仪的极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2.图7中线圈电流I与外磁场B在1 MA附近呈现非严格的线性关系,这是由磁屏蔽筒内的剩余磁场导致的,可参考表达式(3).3)横向弛豫时间对磁场大小的依赖关系原子系综宏观磁化强度被激励磁场作用至与外磁场垂直的平面内,该横向磁化强度将呈指数形式衰减,衰减函数的时间常数为横向弛豫时间T2,即信号幅度衰减至e−1倍所需的时间[20].本文中用y=A exp(−t/T2)函数来拟合出T2.图8(a)显示了500 nT磁场下的弛豫信号,此时原子磁力仪的工作周期T=100ms,抽运激光作用时长t1=30 Ms,激励磁场作用时长t2=5 Ms.以激励磁场关闭时为时间零点,将弛豫信号中的波峰随时间的变化曲线绘制在图8(b)中,通过指数拟合得到横向弛豫时间T2为5.946 Ms.图8(c)显示了横向弛豫时间随磁场的变化,可以看出随着磁场的增加,横向弛豫时间逐渐减小,这是由于铷泡所在区域磁场梯度的增加导致了原子系综宏观磁化强度的弛豫加快.图8(c)的实验结果对Labview程序编写时自由弛豫信号截取时长的设定具有重要参考意义.4)磁场采样率磁场采样率S是原子磁力仪的一项重要指标.目前国内光泵磁力仪磁场采样率大都小于20 Hz,而国外已出现磁场采样率为100 Hz、甚至1000 Hz的原子磁力仪[18].例如美国Geometrics公司推出的G-824 A型航空铯磁力仪的采样率达到了1000 Hz,而美国限制出口该磁力仪[18].本文的NMOR铷原子磁力仪通过设定工作周期T、抽运激光作用时长t1、激励磁场作用时长t2,可实现磁场采样率S在1—1000 Hz范围内可调.实验中当以1000 Hz磁场采样率测量10000 nT附近的恒磁场时,90%的数据落在(10000±0.1)nT以内.高磁场采样率的磁力仪可用于测量环境中低频的交变磁场,图9显示了原子磁力仪测量(10000±100)nT范围内频率为100 Hz交变磁场的实验结果,测量时激励磁场振荡频率固定为70 kHz.图9(a)是原子磁力仪采集的原始数据,随着磁场的波动原始信号的最大振幅也跟着波动;图9(b)是原子磁力仪时序示意图,设定工作周期T=1 Ms,抽运激光作用时长t1=0.3 ms,激励磁场作用时长t2=0.1 ms;图9(c)显示了测量的磁场数据.NMOR铷原子磁力仪的拉莫尔进动频率是由自由弛豫正弦信号的快速傅里叶变换曲线拟合得到,因此磁场采样率S的设定需要考虑与拉莫尔进动频率相适应,必须保证有足够多的数据能够精确拟合出拉莫尔进动频率.本文原子磁力仪在5000—100000 nT待测磁场范围内实现磁场采样率S在1—1000 Hz范围内可调,在100—5000 nT待测磁场范围内可设定S≤20 Hz.另外,本文描述的原子磁力仪在高磁场采样率条件下无法使用跟踪式锁频,这是因为跟踪式锁频步骤是在Labview程序中实现,而在程序流程中计算机与信号源通讯需要时间,采用跟踪式锁频测量时S≤20 Hz.信号源输出频率为定值时磁场采样率S可在1—1000 Hz范围内可调,参考图4(a)的实验结果,适用于测量稳定磁场附近小于1000 nT的磁场波动.本文详细地描述了NMOR铷原子磁力仪的工作原理和测量方法,系统地研究了测量范围、灵敏度、分辨率、横向弛豫时间、磁场采样率等性能指标.实验结果表明原子磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT,制备的铷原子极化态横向弛豫时间在毫秒量级,磁场采样率最高可达1000 Hz.本文用噪声功率谱密度讨论原子磁力仪的灵敏度指标时考虑了精密电流源的电流噪声,该做法对磁力仪的灵敏度指标标定具有借鉴意义.本文原子磁力仪的若干性能指标在国内以及国际上都具有先进性.除了上述列出的性能指标外,磁力仪的空间分辨率也是磁力仪的一项重要指标,而本研究采用Φ25 mm×50 mm的圆柱型气室,体积较大,下一步可研究微型原子气室的原子磁力仪.本研究的原子磁力仪在生物医学、基础物理研究方面具有潜在的应用前景.本文所描述的原子磁力仪实验装置是在浙江工业大学林强教授及其团队老师吴彬、郑文强、程冰,以及浙江科技学院李曙光副教授的帮助下搭建完成的,上述研究人员在作者搭建原子磁力仪过程中给予了诸多技术资料、技术协助和有益讨论.作者本人现场参观了浙江工业大学的原子磁力仪装置,从中获得启发,完成了本文的研究内容.作者对林强教授团队表示由衷的感谢.We report a rubidiuMatoMicMagnetoMeter based on puMp-probe nonlinearMagneto-op tical rotation.The rubidiuMvapor cell is p laced in a five-layer Magnetic shield With inner coils that can generate uniforMMagnetic fields along the direction of puMp beam,and the cell is also p laced in the center of a Helmholtz coil that can generate an oscillating Magnetic field perpendicular to the direction of puMp beam.The atoMs are op tically puMped by circularly polarized puMp beaMalong a constant magnetic field in a period of time,then the puMp beaMis turned off and aπ/2 pulse of oscillating magnetic field for87Rb atoMs is app lied.A fter the above p rocess,the individual atoMic magnetic moments becoMe phase coherent,resu lting in AtransverseMagnetization vector precessing at the LarMor frequency in theMagnetic field.The linearly polarized probing beaMis perpendicular to the direction ofmagnetic field,and can be seen as a superposition of the left and right circularly polarized light.Because of the diff erent absorptions and dispersions of the left and right circularly polarized light by rubidiuMatoMs,the polarization direction of p robing beaMrotateswhen probing beaMpasses through rubidiuMvapor cell.The rotation of the polarization is subsequently converted into an electric signal through a polarizing beaMsplitter.Finally,the decay signal related to the transverseMagnetization vector isMeasured.The LarMor frequency p roportional to Magnetic field isobtained by the Fourier transforMof the decay signal.The value ofmagnetic field is calculated froMthe formula:B=(2π/γ)f,where γ and f are the gyromagnetic ratio and LarMor frequency,respectively.In order toMeasure theMagnetic field in a Wide range,the tracking lock Mode is p roposed and tested.The atoMicMagnetoMeter can track themagnetic field juMp of 1000 nT or 10000 nT,indicating that the atoMicmagnetometer has strong locking ability and can be easily locked after start-up.The Main perforMances in diff erent Magnetic fields are tested.The results shoWthat the MeasureMent range of the atoMic magnetometer isfroM100 nT to 100000 nT,the extreme sensitivity is 0.2 pT/Hz1/2,and the magnetic field resolution is 0.1 pT.The transverse relaxation tiMes of the transverse Magnetization vector in diff erent Magnetic fields are obtained,and the relaxation tiMe decreases With the increase of the Magnetic field.When the MeasureMent range is froM5000 nT to 100000 nT,themagnetic field saMp ling rate of the atoMicmagnetometer can be ad justed in a range froM1 Hz to 1000 Hz.The atoMic MagnetoMeter in high saMp ling rate can Measure weak alternating Magnetic field at loWfrequency.This paper provides an iMportant reference for developing the atoMic MagnetoMeter With large measurement range,high sensitivity and high saMp ling rate.【相关文献】[1]Xu S,C raWford C W,Rochester S,Yashchuk V,Budker D,Pines A 2008 Phys.Rev.A 78 013404[2]Maser D,Pandey S,Ring H,Ledbetter MP,Knappe S,K itching J,Budker D 2011Rev.Sci.Instrum.82 086112[3]Kornack T W,Ghosh R K,RoMalis MV 2005 Phys.Rev.Lett.95 230801[4]Meyer D,Larsen M2014 Gyroscopy 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DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2009.19.030高灵敏度磁力仪作为测量极其微弱磁场的重要工具，不论在生物医学[1～8]、空间与地球物理[9～17]、工业检测[18～22]还是军事方面都有着广泛应用。

目前使用的超高灵敏度磁力仪主要有超导量子干涉器件（SQUID）磁力仪和原子磁力仪[23～26]等。

但是超导量子干涉磁力仪装置复杂、对工作环境要求高。

许多实际应用场合不仅要求磁力仪灵敏度高，而且要求体积小、能耗低、易于携带等。

发达国家对超高灵敏度磁力仪是限制出口的[25]，因此研制拥有自主知识产权的新型高灵敏度磁力仪具有重要的意义。

我们研制的全光学高灵敏度铷（Rb）原子磁力仪装置结构如图1所示。

主体部分由光源、磁传感器探头和光电检测部分组成，其中，光源部分用于产生固定波长的圆偏振激光。

其主要由经过稳频的外腔式半导体激光器（ECDL）和相应的波片（W.P.）组成。

磁传感器探头用于感受待测磁场并将其作用反映于原子对激光光强的吸收变化，其主要由铷原子气室（Rb Cell）、相应的加热器（Oven）和用于调制的横向亥姆霍兹线圈（Coils）组成，其中加热器为原子气室提供合适的工作温度。

光电检测部分用于接收出射激光光强变化并进行分析，其主要由光电二极管（PD）、相应的放大电路和计算机信号采集、处理（PC）模块组成，该装置具有结构简单、灵敏度高和探头功耗低等优点。

原子磁力仪装置的主要工作原理是基于铷原子在磁场中的塞曼效应与光泵浦作用引起对入射探测光吸收的改变。

初始时刻由装置中光源产生的圆偏振光对铷原子能级原子布居数进行选择性地泵浦，而原子受到磁场变化的影响，其布居数也同时发生转移，因而对入射光吸收或透射光强产生变化[27]。

图2描绘了原子对光强的吸收与磁场大小关系的理论与实验曲线，其中实线部分对文/李曙光 周 翔 曹晓超 徐云飞 王兆英 林 强1（浙江大学物理系光学研究所，浙江 杭州 310027）* 国家重点基础研究发展计划（973计划）课题（2006CB921403）、国家自然科学基金(10804097）和浙江省钱江人才计划（2006R10025）的资助。

第7卷第4期2010年8月CHIN ESE JO U RN A L O F EN GI NEERIN G G EOP HY SICSV ol 17,N o 14Aug 1,2010文章编号:1672)7940(2010)04)0460)11doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2010.04.012量子磁力仪再评说董浩斌1,张昌达2(1.中国地质大学机械与电子信息学院,武汉430074;2.中国地质大学地球物理与空间信息学院,武汉430074)基金项目:863项目(2007AA12Z129)资助。

作者简介:董浩斌(1964-),男,教授,博士生导师,主要从事地球物理智能化仪器、微弱信号采集处理等方面的教学和研究工作。

E-mail:donghb@摘 要:在本文中再一次评述了四种量子磁力仪的基本原理、研究和开发方面的进展。

四种量子磁力仪包括核子旋进磁力仪(质子磁力仪)、光泵磁力仪、超导磁力仪(SQ U ID)、SERF 原子磁力仪。

对于地球物理应用来说,德国、加拿大和其它国家的科学家研制成功的全张量航空磁力梯度仪JESSY ST A R ,是最重要的一项技术突破。

美国Seltzer S J 和Romalis M V 研制的无屏蔽SERF 原子磁力仪具有构制另一种类型的全张量航空磁力梯度仪的潜力,如果实现,它将是磁力勘探另一项重要的技术突破。

关键词:核子旋进磁力仪;光泵磁力仪;全张量航空磁力梯度仪;JESSY ST AR;无屏蔽SERF 原子磁力仪中图分类号:P 631文献标识码:A收稿日期:2010-07-05A Further Review of the Q uantum MagnetometersDong H aobin 1,Zhang Chang da 2(1.S chool of Electr onic I nf or mation &M echanics ,China Univer sity of Geosciences ,W uhan 430074,China;2.I nstitute o f Geop hy s ics and Geomatics ,China Univers ity o f Geos ciences ,W uhan 430074,China)Abstract:T he basic principle and state-of-the-arts-of four kinds of quantum magne -to meters have been review ed once again.They are nuclear precessio n m agnetom eter(proton magneto meter),o ptically pumped mag netometer ,super conducting m agnetom eter(SQUID)and SERF atomic magnetom eter.For g eo physical applicatio n,the full tensor airbo rne mag -netic g radiometer-JESSY ST AR,is the most im por tant breakthrough m ade by scientists of Germ an,Canada and other countries .U nshielded SERF atomic m agnetom eter developed by Seltzer S J and Rom alis M V has the potential fo r constructing another type o f full ten -sor air bor ne m ag netic gradio meter,differ ent fro m JESSY ST AR .T hat w ould be another br eakthro ug h in magnetic explor ation .Key words:nuclear precession magnetom eter;proton magneto meter;o ptically pumpedm ag netometer;full tensor airborne magnetic gradio meter;JESSY STAR;un -shielded SERF ato mic magneto meter第4期董浩斌等:量子磁力仪再评说1引言笔者曾在5工程地球物理学报62004年第6期上发表文章/量子磁力仪评说0[1]。

磁力仪简介北京地质仪器厂吴天彪磁学测量仪器，从测量的参数、测量的范围和用途来看，均极为广泛和复杂，本文仅限于介绍用于地磁学研究、磁法矿产资源勘探、环境地球物理学等方面的弱磁场（≤1×10-4 特斯拉）磁感应强度的测量仪器，通称为“磁力仪”。

1 磁力仪的分类及应用目前，常用于弱磁场、特别是地球磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁传感器的工作原理上看，大致可分为三大类[1]，即：（1）基于电磁感应原理的磁通门磁力仪。

（2）基于核磁共振（NMR）原理的质子磁力仪、基于电子自旋共振（ESR）的光泵磁力仪和基于NMR与ESR的欧佛豪森（Overhauser）质子磁力仪（OVM）的共振磁力仪。

（3）基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。

根据传感器的特点，所有共振磁力仪只能测定地磁场的总场的磁感应强度，称为标量磁力仪，而磁通门磁力仪和超导磁力仪的读数，既反映磁场的强度也反映磁场的方向，称为矢量磁力仪。

从使用广泛性来看，工作量最大的地面磁测，主力仪器是传统的直流激发的质子磁力仪、其次是光泵磁力仪和欧佛豪森质子磁力仪，在一些强磁区，也使用测量垂直分量的磁通门磁力仪。

航空磁测的主力是光泵磁力仪，目前多用4台仪器组成三维梯度系统，用三分量磁通门仪器作姿态改正。

光泵磁力仪也用于装在飞机上探测潜艇。

高温超导磁力仪用于时域电磁法的磁分量观测，低端灵敏度大大优于传统的感应式磁传感器。

在岩石和矿物的磁性测量及古地磁研究中超导磁力仪也得到广发的应用。

磁通门磁梯度仪和光泵梯度仪多用于探测地下未爆物（UXO）、地下管线、考古等。

在航天领域，地面地磁台站中，三分量的磁通门磁力仪和质子磁力仪得到广泛应用。

磁力仪测定的物理量是磁感应强度，其SI制计量单位是“特斯拉”（Tesla）。

1 Tesla = 103 mT =106 µT = 109 nT = 1012 pT= 1015 f T最常用的单位是nT （纳特）CGSM制的计量单位是“高斯”（Gs），1 T= 10,000 Gs从全球地磁图[2]（图1）可以看出：赤道附近地磁场的磁感应强度约为20,000~30,000nT两极附近地磁场的磁感应强度约为600,000~80,000nT图1 全球地磁图2 磁力仪的主要技术指标以观测地磁场为主要目的的磁力仪，各种不同原理的仪器的主要技术指标，不尽相同，但大多数应有测量范围、灵敏度、分辨力、采样率、绝对精度、梯度容限、工作温度范围等。

光泵原子磁力仪原理答案：光泵原子磁力仪的原理基于铯原子的超精细结构能级在外部磁场的作用下出现的塞曼分裂现象。

当外部磁场B存在时，铯原子能级会分裂，分裂的大小与磁感应强度成比例。

通过精确测定塞曼子能级间的频率，可以计算出外部磁场的大小。

具体实现过程中，无极铯光谱灯发出的光经过圆极化后，通过充有合适缓冲气体的铯气室，实现铯原子的光抽运，即原子全部聚集在某一个塞曼子能级上。

平衡后，铯原子不再吸收光子，光电二极管接收到的是稳定的光强值。

之后，调节铯气室周围的射频线圈中的射频场频率，当射频场RF频率为fL恰好等于塞曼子能级之间的跃迁频率时，引起铯原子在塞曼子能级间的跃迁，铯原子将继续吸收光子，导致光电二极管接收到的光强变小，即获得了塞曼跃迁谱线。

利用锁频装置（包括扫频式和自激式），可以实现系统的闭环锁定，利用频率计测量拉莫尔频率fL，再通过关系式γB=fL 即可求出磁场值。

光泵原子磁力仪是一种高灵敏度的磁场探测量子技术，利用光与原子相互作用实现对磁场的高灵敏度测量。

它利用特定的光束照射某些元素（如铷或氦的样品），在加热或放电激发的条件下，相当大一部分原子磁矩将相对于外磁场作一定方向的有序排列，即原子吸收光的能量由低能级提到高能级。

这种技术的基础是光泵作用和磁共振技术，由于采用磁共振的元素不同，光泵磁力仪分为氦磁力仪和碱金属磁力仪；按采用的电路不同可分为自激式磁力仪和跟踪式磁力仪。

延伸：一、光泵磁力仪的原理及应用光泵磁力仪是一种精确测量磁场的仪器，其原理是利用光泵浦技术将样品中的原子或分子激发到高能级，再通过探测技术来测量磁场的强度和方向。

它广泛应用于物理学、化学、材料科学等领域中的磁场研究和应用中。

二、为什么不能进行单分量的测量光泵磁力仪测量的磁场是由多个分量组成的，因此不能进行单分量的测量。

这是因为，磁场分量中的自由度并不是独立的，如果只测量其中一个分量，就无法得出整个磁场的准确信息。

三、多分量磁场测量方法针对光泵磁力仪不能进行单分量测量的问题，科学家们提出了多分量磁场测量方法。