用于海洋磁测的芯片量子干涉磁力仪

关丽娟

(中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛266100)

康智慧

(吉林大学物理学院，长春130021)

王增斌

(北京航天控制仪器研究所，北京100854)

海洋磁力仪是指测量海洋磁场强度的磁力仪，主要应用于海洋环境探测中的高精度磁测量.近年来，海洋地磁测量逐步向0.1～0.001 nT甚至更高精度拓展，其测试模式也在点、线测量模式基础上，拓展了局部海域网格测量模式.海洋磁测的新需求向海洋磁力仪提出了数字化、模块化、小型化和系统集成化等要求，研发高精度、小型化磁力仪具备重要的意义.

用于海洋磁测的传统高灵敏度磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪以及超导量子干涉磁力仪.

磁通门磁力仪通过在交变磁场饱和激励下的高导磁铁芯的磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场［1-5］.其探头部分多由在高磁导率的磁芯上缠绕线圈制做而成，体积和重量较大，功耗较高，测量精度偏低，测量范围较小［6］.

质子旋进磁力仪则利用质子自旋在外磁场中的进动效应来实现对外磁场测量，通过检测自旋进动频率的方法来完成磁场测量［7］.但其耗电量大，只能进行低带宽间断测量［8］.

光泵磁力仪是以外磁场对原子产生的塞曼效应为基础，利用光泵浦作用和磁共振技术来实现对外磁场的测量［9］.光泵磁力仪具有较高的灵敏度和响应频率，还可测量合磁场和磁场分量，并且可以进行连续测量［10-11］.但是光泵磁力仪探头的体积较大，且测量结果存在漂移现象［12］.

超导量子干涉磁力仪是以超导约瑟夫森效应和磁通量的量子干涉效应为理论基础，敏感外磁场引起的磁通并将其转化为电压的磁通传感器［13］.超导量子干涉磁力仪具备当前磁力仪产品的最高精度，但其结构复杂、体积庞大，功耗较高以及必需的低温制冷系统，使其应用受到严重限制.

上述磁力仪技术具备技术成熟、应用领域广等特点，在海洋磁测、地质勘探、地磁图绘制、地震测量等领域具有广泛的应用.但是，对于诸多应用的未来发展需求，上述技术手段很难在提供高精度测量的同时实现微小型化.探索新手段来满足多领域磁场测量需求具有重要意义.

与上述技术手段相比，利用双光场量子干涉效应来测量磁场的量子干涉磁力仪，具有精度高、体积微小、功耗低、灵敏度高、结构简单和性能稳定等特点，有望成为解决磁测量技术未来发展难题的有效手段，引起了国内外科研工作者的广泛关注.

1 量子干涉磁力仪

1.1 简述

量子干涉磁力仪利用极灵敏的双光场干涉信号来敏感外磁场塞曼效应引起的能级劈裂，进而精确反演出外磁场的强度与方向.磁力仪以某种碱金属原子为敏感介质，通过光泵浦手段，将原子高效地泵浦到所需原子基态能级上，并保持连续泵浦光的强度，构建成即所谓的量子干涉“暗态”之后，通过探测对另一束弱探测光的吸收情况，确定量子干涉效应吸收线的位移，确定基态能级的劈裂情况，反演出外加磁场的信息［14］.

量子干涉磁力仪利用了双光场量子干涉效应，因此灵敏度极高，其理论精度可达pT～fT，与超导量子干涉磁力仪相比同样具有超高测量精度的技术潜力.同时，基于双光场量子干涉效应的磁力仪的敏感介质仅需mm甚至μm尺度，其光学系统均可采用集成光电器件实现，因此还具备微小型化技术优势.

1.2 双光场量子干涉效应

双光场量子干涉效应是原子介质引起的光场相干现象，最早文献［14］于1976年观察到.双光场量子干涉效应的系统主要由双基态、单激发态原子和两束近共振激光组成.当双光场与三能级原子相互作用时，对应的两个原子跃迁|1〉-|2〉，|1〉-|3〉之间将产生量子干涉效应.当两个激光场的频率差与原子基态能级的劈裂间距相同时，这两个跃迁的发生的复几率完全抵消，原子将以特定复概率分布在原子|2〉，|3〉两个基态上，即便有两束激光场存在，原子也不会被泵浦到激发态|1〉上，此态成为量子干涉“暗态”.如果整个过程为绝热过程，则原子没有自发辐射，此效应可引发基态原子的相干分布，称为相干粒子数捕获.此时若观察第2束弱激光，则能够观察到完全透明现象，因此该效应也被称为电磁感应光透明效应.量子干涉效应是导致相干粒子数捕获、电磁感应光透明效应的物理机制.

图1为典型的Λ型三能级量子干涉系统模型［15-16］.

其物理过程可由下面理论简单描述.

相干激光场ω1和ω2分别对应系统所含的两个原子跃迁通道|1〉-|2〉，|1〉-|3〉.其相干演化波函数可表达为

图1 Λ型三能级系统双光场量子干涉效应示意图

其中，ci(i=1，2，3)即原子在图1上所示|i〉能级上的几率振幅.因c1为激发态原子存在的几率，将引发自发辐射，影响信号的检测精度，因此本文试图寻找c1(t)=0的态，即所谓量子干涉“暗态”.

将式(1)代入薛定谔方程，可得其演化方程为

其中，Ω1与Ω2分别为相干场ω1和ω2的拉比频率，Ω1= μ1E1/h-，Ω2=μ2E2/h-，μ1，μ2为原子跃迁偶极距，E1，E2为光功率，h-=普朗克常数/2π.设定双光场满足双光子共振条件:ω1-ω12=ω2-ω13=δ.引入常量 θ，令 tan θ= Ω1/Ω2.由此可定义两个新的参数:

将式(5)和式(6)代入式(2)～式(4)，可以得到这两个新的叠加态振幅的运动方程:

其中，广义拉比频率Ω=(Ω21+Ω22)1/2.

分析式(7)可知，在双光场吸收近似为0并且满足绝热近似缓变条件，量子干涉过程存在解{c1(t)=0，c2(t)=- Ω2/Ω，c3(t)= Ω1/Ω}，使得原子不在激发态上布居，此时量子干涉效应抑制了整个系统的自发驰豫过程，使得信号光完全透明穿过.在不满足上述双光子量子干涉条件时，该态不存在，因此会对信号光引入极大的吸收.因此，改变信号光频率进行扫描，将在信号光的吸收谱上形成一个尖锐的透明峰.该峰的中心位置标志着量子干涉效应完全消失对应的频率，称为干涉共振信号峰.

1.3 量子干涉效应测磁的原理

基于量子干涉效应进行磁场测量的原理如下:当磁场为0时，基态和激发态的能级都是简并的，只存在一个干涉共振信号峰，当存在一个与光传播方向平行的外磁场时，不同磁量子数mF的塞曼子能级将产生宽度不同的劈裂，此时构成3个三能级Λ系统(如图2b所示)［15-16］.此时的跃迁会构成3个三能级Λ型双光场量子干涉系统Λ1，Λ2，Λ3(每两个跃迁通道构成一个 Λ 型系统).

图2 87Rb原子D1线能级示意图

由文献［15-16］可知，3个共振信号之间的频率差Δ=|γ|B，γ为旋磁比，B为待测外磁场强度，即共振信号间的频率差正比于磁场强度.因此可以通过检测到的频率差，计算出B.以上即为量子干涉磁力仪的理论基础.文献［15-16］给出了其原理样机的研制情况以及测试结果.

2 芯片量子干涉磁力仪设计

基于上述量子干涉磁力仪的工作原理，以小型化集成物理系统为核心，配合外部精密控制电路，对电流、工作频率和温度等参数进行反馈控制.产品采用芯片集成化封装，设计响应快、能耗低、体积小、精度高，有望满足海洋磁测技术的未来发展需求.

2.1 系统构成

量子干涉磁力仪的物理系统是以芯片上集成的激光发射系统和原子蒸汽反应腔作为核心部分.图3为磁力仪的系统示意图.首先，通过控制电流将激光器波长稳定在794.976 nm，然后使用3.417 GHz频率的调制信号使激光器产生频率间隔为3.417 GHz的多色光.产生的激光信号经过偏振片和波片进入原子蒸汽反应腔，波片将偏振光转换成圆偏振光.激光经过原子蒸汽反应腔之后，产生振荡信号，其频率等于微波信号源的信号频率与原子基态两个超精细结构能级跃迁频率的差值.振荡信号经过光电检测器转化为电信号，进入控制电路系统.磁场测量所需要的信息，也通过光电检测器转化为电信号，进入计算机.

图3 量子干涉磁力仪物理系统结构示意图

2.2 核心系统设计

芯片量子干涉磁力仪的物理系统使用高带宽、垂直腔表面发射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Lase).

VCSEL的优势在于其发光区域较传统的半导体激光器要小，拥有响应快、能耗低的特性，十分有利于系统小型化.

本文采用一个恒温加热系统使样品池保持在工作温度.通过改变电压来控制温度，图4为加热芯和温度传感器的结构图.固定晶体装置使用铜材料制作，以避免引入附加磁场.工作温度必须稳定在50～70℃范围内，才可以使稳频信号峰的幅度达到最高值.当温度过低时，铷原子为固态，几乎都贴附在样品池壁上，此时只有极少的原子与激光产生相互作用，量子干涉相消现象将无法产生.当温度过高时，样品池对激光的吸收过于强烈，导致量子干涉共振信号过于微弱，难以观测.

图4 加热芯和温度传感器结构图

将适量的氖气作为缓冲气体充入Rb蒸汽腔内，原子与缓冲气体之间的碰撞可以有效地减慢铷原子的运动速度，从而延长原子与光场发生相互作用的时间，明显增加暗态寿命，并且原子与氖气的碰撞对原子的量子态影响很小.但原子与缓冲气体之间的碰撞也会使共振峰的线宽加宽，减小磁力仪分辨率，因此缓冲气体压强不宜过大.通过多种对比实验，找到最适合的缓冲气体压强.

控制电路系统主要是产生微波调制信号，对VCSEL进行控制，并对光电检测器的输出信号进行处理.对VCSEL的控制包括温度控制，电流控制和频率稳定控制.温控电路主要通过数模和模数的转换，数值比较和反馈来控制高精度温度传感器和半导体热电制冷温度调节器.电流控制电路提供恒定的电流值，稳定激光器的输出波长.微处理器通过电流控制电路提供精确的驱动电流锁定激光管的输出频率.微处理器通过控制VCSEL的直流电流部分，实现激光器的频率扫描，多色光的产生则是通过对VCSEL的输出光加以3.4 GHz频率的调制实现的.由激光器发出的光束根据激发原子跃迁的不同，产生偏移方向相反频移量相同的右旋圆偏振光σ+和左旋圆偏振光σ-，进而得到两路不同的差分信号.探测光中的σ+与σ-偏振分量通过反应腔和λ/4波片，由线偏光变为圆偏光，光电探测器经过减法器将这两个信号相减得到类色散曲线，再经过比例积分微分放大电路将误差信号加载到激光电流上，负反馈回路再加入反向偏置，就可使类色散曲线始终过零点，激光输出频率就可以锁定在原子的精细谱线上，从而达到对激光器稳频控制的目的.整个微控制电路的工作过程是:在调制信号源外加了一个信号发生器，给所加的高频微波信号进行扫场，并通过其产生的三角波来触发调制信号源，从而使其输出以ω(3.417 GHz)为中心频率的扫描范围可调的扫场信号.光电检测器的输出电信号经过放大器之后，其中一路进入激光器驱动电流源作为稳频反馈控制信号;另一路进入信号转换器，转化成与量子干涉失谐瞬态振荡信号频率一致的正弦波信号，用于频率反馈，以控制输入信号频率.由于物理反应腔和激光器均有加热和温控装置，所以置入温控反馈电路单元进行分别控制.

以上即为量子干涉磁力仪核心系统中的稳频、温控和微波调制设计原理.

3 量子干涉磁力仪在海洋中的应用

由上述原理研制成的量子干涉磁力仪可以应用于沿海地球物理勘探、考古学、失事船探测、港口的磁绘，湖泊、河流、港湾中铁质目标的探测.

在海洋环境探测领域的磁力仪可分为舰载、机载以及星载3种载荷方式.其中舰载磁力仪的传感器部分元件通常由电缆连接，被拖拽在水面以下，设计成流线型形状.进一步，将两个探头连接在一起可以构成地磁梯度仪，如图5所示为舰载并联式和串联式梯度仪示结构意图.

图5 舰载磁力梯度仪结构示意图

多探头串、并联的组合方式，可以对目标磁场梯度进行3轴方向的精确实时测量.用于港口、航道、锚地等对泥下障碍物、管道探测及海缆路由调查、重要工程水域磁场测量等海洋工程开发.

4 结束语

本论文根据光与原子在磁场中相互作用的基本原理，对双光场量子干涉测磁的基本过程进行了理论解释.以此为原理设计了量子干涉磁力仪，分析了这种磁力仪在弱磁场测量领域中的特点和优势.重点介绍了磁力仪的系统构成和核心部分设计，并进一步介绍了量子干涉磁力仪在海洋磁测领域的应用前景.

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