高灵敏度弱磁传感器研究*

曾宪金， 李庆萌， 赵文辉， 张军海， 孙伟民

(哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

磁传感器在生物医学、资源探测、地震灾害预警等领域有着广泛的应用[1～3]。随着对磁场探测精度越来越高的要求，磁传感器的性能也不断的提高。从最常用的霍尔效应磁传感器、磁阻传感器、磁通门磁传感器到超导量子干涉(SQUID)器件和基于巨磁阻效应的磁传感器，磁传感器技术不断的向前发展。其中，SQUID长期占据着磁传感器中最高灵敏度的位置。但这种磁传感器体积庞大，需要液氦制冷，装备和维护费用都非常昂贵，极大地限制了其应用范围。最近十几年来，出现了基于原子自旋磁矩与磁场相互作用的原子弱磁传感器，其灵敏度已经超越了SQUID[4,5]。由于原子磁传感器超高的灵敏度，且不需要苛刻的工作条件，自其一出现便受到了广泛关注[6～8]。

目前,灵敏度最高的原子弱磁传感器是工作于无自旋交换弛豫机制下的。为了消除自旋交换弛豫，需要将原子气室加热到很高的温度(>100 ℃)，这时原子气室对光的吸收很强。因此,需要将检测激光锁定到远离原子共振线的频率上，通常采用法布里—珀罗腔(F—P cavity)对激光进行稳频。但F—P腔对温度，振动等都非常敏感，这给实际应用带来了很大的困难。为了避免这些问题，本文提出了一种基于激光强度调制和圆二向色性检测方案的铯(Cs)原子磁传感器。这种原子磁传感器可以工作在40 ℃的较低温度下，激光频率可以通过饱和吸收谱技术很容易地稳定在原子的共振线上，并且仍然具有很高的灵敏度。

1 工作原理

原子弱磁传感器是通过测量原子自旋磁矩在外磁场中的拉莫进动频率来反映磁场大小的。其工作原理如图1所示，一束圆偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光传播方向极化，一束线偏振的检测激光沿垂直于泵浦光的方向检测原子的极化投影。在没有外磁场时，原子自旋极化在检测光方向没有投影，线偏振光保持原来的偏振态经过原子气室。当有垂直于泵浦光和检测光平面的外磁场存在时，原子自旋磁矩在磁场的作用下做拉莫进动，极化矢量绕磁场旋转，在检测光方向形成投影。极化的原子对线偏振检测光的左右旋分量的折射或吸收不同，使通过原子气室的检测光偏振面发生旋转或椭圆率改变。当泵浦光的调制频率等于拉莫进动频率时，旋转角或椭圆率变化最大。通过检测偏振面旋转角或椭圆率变化即可确定拉莫进动频率[9]。进动频率与磁场大小呈正比，其关系式为ωL=γB，其中,ωL为拉莫进动频率，γ=3.5 Hz/nT为铯原子的旋磁比，B为磁感应强度。

图1 原子弱磁传感器的原理

原子自旋极化矢量在绕磁场转动的过程中会由于各种弛豫机制产生衰减，其极化矢量随时间的演化可由光学布洛赫方程描述[10]

(1)

原子弱磁传感器实际检测到的信号是极化矢量在检测光方向的投影，即Px。为了提高信噪比，通常将EOM的调制信号作为参考信号，与平衡探测器输出信号做锁相放大处理。输出信号为

(2)

(3)

公式(2)代表参考信号与探测器输出信号相位差为90°时的输出，即正交信号。其中,Δω为谱线宽度，ω为激光强度的调制频率，ω0为磁场对应的拉莫进动频率。公式(3)代表参考信号与探测器输出信号相位差为0 时的输出，即同相信号。从式中可以看出:采用激光强度调制的原子弱磁传感器的正交信号呈现出洛伦兹吸收线型，同相信号表现出色散线型。

2 系统构成

2. 1 光路结构

原子弱磁传感器系统主要包括激光器及其稳频系统、Cs原子气室、无磁温控系统、磁屏蔽装置、圆二向色性检测光路和数字频率跟踪系统，其具体光路结构如图2所示。激光器经过光隔离器后通过饱和吸收谱(saturated absorption spectrum，SAS)光路进行稳频，泵浦光锁定在Cs原子D1线上，检测光锁定在Cs原子D2线上。泵浦光经过电光调制器(electro-optical modulator，EOM)后，激光强度被调制。为了增加有效作用面积，在泵浦光进入Cs原子气室前对其进行了扩束。通过一个偏振棱镜和λ/4波片后，泵浦光变成圆偏振光使Cs原子极化。检测光经过偏振棱镜后变成线偏振光进入Cs原子气室。透过原子气室后，经过一个λ/4波片和Wollaston棱镜后，对Cs原子气室的圆二向色性进行检测，通过分光束检测法，将椭圆率变化转换为偏振面的旋转。当泵浦光调制频率等于拉莫进动频率时，旋转角最大，平衡探测器的输出信号幅度最大。

图2 原子弱磁传感器的光路结构

2.2 无磁温控系统

为了避免杂散磁场的影响，Cs原子气室放置于一个三层磁屏蔽筒中,磁屏蔽筒由高导磁率的坡莫合金制成，屏蔽系数能达到105，使屏蔽筒内剩磁小低于1 nT。原子弱磁传感器的标准磁场由放置于磁屏蔽筒内的一对亥姆霍兹线圈产生,亥姆霍兹线圈产生的磁场与泵浦光和检测光方向垂直。由于原子弱磁传感器对磁场非常敏感，在磁传感部分应尽量避免磁性物质存在,通常的电加热等方式容易引入磁场，给磁传感器带来额外的噪声。为了对Cs原子气室实现完全无磁性加热，本文采用了热气流加热方式，并设计制作了由聚四氟乙烯材料构成的双层热气流加热室。原子气室内温度采用光纤光栅进行监测。

2.3 Cs原子气室

原子气室是原子弱磁传感器最为核心的部分，气室的参数决定着磁传感器的性能。为了尽量减小原子与气壁之间的碰撞，Cs原子气室中充入了约200 Torr的He作为缓冲气体。如图3所示为Cs原子气室，其直径为30 mm。为了避免直接充入球形气室后固态Cs在气室内沉积，导致极化的Cs原子与固态Cs之间的碰撞，开始时将Cs充入外侧的储存室内。由于毛细管的存在，固态Cs不会进入到球形气室。在使用时，通过加热储存室使Cs变成气态，从而通过毛细管进入球形气室中。

图3 Cs原子气室

3 实验结果分析

为验证Cs原子弱磁传感器的性能，首先对系统的响应谱线进行了测量。在泵浦光强为0.6 mW/cm2，检测光为0.03 mW/cm2，Cs原子气室温度为40 ℃，磁场约95 nT的条件下，采用方波对EOM进行频率扫描。如图4所示为原子弱磁传感器的磁共振谱线，同相信号呈现色散曲线，正交信号呈现洛伦兹吸收线型。从中可以看出:磁共振谱线的线宽约为22 Hz。色散谱线的峰峰值越高，线宽约窄，则在待测磁场处的斜率越大，说明原子弱磁传感器对磁场越敏感，即磁传感器的灵敏度越高。

图4 磁共振谱线

上述谱线说明了原子弱磁传感器的物理系统能达到的性能，但尚未构成闭环的原子弱磁传感器系统。原子弱磁传感器是通过自动频率跟踪系统实时辨别和跟踪拉莫进动频率，从而输出磁场值的。由上图可知，色散谱线的特点是斜率大，当激光强度调制频率等于拉莫进动频率时，信号幅值为0。自动频率跟踪系统即是基于对色散谱线零点的实时跟踪来确定拉莫频率的。为对完整的原子弱磁传感器的性能进行评价，在恒定磁场下，记录了原子弱磁传感器实时的测量值。如图5所示，数据为采样率在5 Hz时，对稳定磁场进行30 min连续测量得出的。从中可以看出:Cs原子弱磁传感器的峰峰值抖动在9 pT以内。

图5 原子弱磁传感器测试数据

原子弱磁传感器的灵敏度可采用Allan方差进行分析

(4)

其中，BAllan为原子弱磁传感器的灵敏度，Bi为测量数据点，N为数据个数，τ为采样时间间隔。Cs原子弱磁传感器的采样率为5 Hz，采样间隔为0.2 s，将图5中的数据代入上式可得Cs原子弱磁传感器的灵敏度BAllan=0.12 pT/Hz1/2。

4 结 论

本文提出了一种基于激光强度调制和圆二向色性检测的Cs原子弱磁传感器方案，避免了通常的射频场调制方案引入的磁共振线宽增宽，解决了远离共振检测时激光频率锁定的困难。介绍了Cs原子弱磁传感器的系统构成，并进行了实际测试分析。在30 min内对稳定磁场进行连续测量的峰峰值抖动小于9 pT，灵敏度达到了0.12 pT/Hz1/2。

参考文献:

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