自旋投影噪声对铯原子磁力仪分辨率的影响

王丰++刘炳胜++张军海++刑苏星++张硕

摘 要：介绍了一种全光学的高灵敏度铯原子磁力仪，从理论方面分析了自旋投影噪声的来源及其产生机理，并计算了噪声的影响程度。这些研究工作为铯原子磁力仪相关实验研究的顺利进行提供了必要的依据。

关键词：铯原子磁力仪；原子磁力仪灵敏度；自旋投影噪声；磁场精确测量技术

中图分类号：P631.2+3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.103

磁场精确测量技术被广泛应用于医用科学、军事工程技术、大气地球物理学和现代工业等领域，它在其中发挥着非常重要的作用。而提高微弱磁场测量仪的分辨精度是近些年研究的热点问题之一。20世纪中期，人们基于超导隧道效应，利用新超导材料制成了超导量子干涉磁力仪。其测量分辨率极高，能够达到飞秒量级，但只有在低温环境中工作介质才能正常工作。本文选用铯原子作为工作介质，它不在低温环境中就可以实现高分辨率磁力仪。同时，采用数值计算的方式分析了影响无自旋交换弛豫的铯原子磁力仪灵敏度的因素，并针对自旋投影噪声与激光频率失谐的关系进行了数值计算。

1 铯原子磁力仪工作原理

铯原子磁力仪是由抽运激光、检测激光、气态铯泡和信号检测4部分构成的。波长为894 nm右旋圆偏振激光束沿着z轴的正方向传播，激光束腰斑直径为4 mm，抽运激光使铯原子产生跃迁。由于其激发态寿命短，电子会自发辐射回到基态上，进而在波长为894 nm的抽运光的持续作用下使所有原子都处于激发态。这样检测光经过铯原子气泡后，通过测量检测光极化方向旋转角度就可以知道磁场B的大小。

2 自旋投影噪声理论分析

由抽运激光与铯原子的相互作用可知，铯原子磁力仪的分辨率受到激光自旋投影噪声的影响，制约了无自旋交换弛豫铯原子磁力仪分辨率的进一步提高。因此，需要从理论方面入手分析噪声的来源，并计算其影响程度。

激光的自旋投影噪声是激光光场粒子性的量子化表现。受海森堡测不准关系的限制，无法去除该噪声。

铯原子电子的自旋在X方向偏振极化方均根测不准度为：

由激光的自旋投影噪声表达式可知，铯原子横向弛豫系数与检测激光的频率有关。由此可得，激光的自旋投影噪声与检测激光频率失谐之间的关系——当检测激光频率零失谐时，自旋投影噪声为1.32×10-15 T?Hz-1/2。检测激光频率的失谐情况会直接影响铯原子磁力仪的精度。

由激光的自旋投影噪声表达式可知，自旋投影噪声不取决于铯原子核的慢化因子，它是受铯原子数密度、气泡体积和总弛豫的影响。在实验过程中，分别计算了1×1013 cm-3、1.7×1013 cm-3、2.1×1013 cm-3、5×1013 cm-3的铯原子数密度对应的铯原子磁力仪分辨率，它们分别为1.71×10-15 T?Hz-1/2、1.32×10-15 T?Hz-1/2、1.18×10-15 T?Hz-1/2、0.75×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，铯原子数密度越大，自旋投影的噪声越小，铯原子磁力仪分辨率越高。同时，计算了0.078 5 cm3、0.117 75 cm3、0.157 00 cm3、0.196 35 cm3的铯原子气泡的体积对应的铯原子磁力仪分辨率，它们分别为1.31×10-15 T?Hz-1/2、1.09×10-15 T?Hz-1/2、0.93×10-15 T?Hz-1/2和0.83×10-15 T?Hz-1/2。由此可得，铯原子气泡的体积越大，自旋投影的噪声越小。噪声水平与体积、分子数密度和总弛豫系数是反比例关系。

3 结论

工作人员分析了铯原子磁力仪可知，最优化铯泡的体积为0.157 00 cm3。在铯泡分子数密度为2.1×1013 cm-3的条件下，铯原子磁力仪自旋的投影噪声大约为1.09 fT?Hz-1/2。这些研究工作为相关工作人员日后进行铯原子磁力仪的实验研究提供了必要的理论依据。

参考文献

[1]Budker D.A new spin on magnetometry.Nature，2003，422（6932）：574-575.

[2]李曙光，周翔，曹晓超，等.全光学高灵敏度铷原子磁力仪的研究[J].物理学报，2010（02）：877-882.

[3]王丰.激光对铯原子磁力仪灵敏度影响[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[4]刘强.全光铯原子磁力仪系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[5]李九兴.Cs原子磁力仪原子态制备的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[6]Dmitry Budker.A new spin on magnetometry.Nature，2003，422（6932）：574-575.

[7]S.J.Seltzer，M.V.Romalis.Unshielded three-axis vector operation of a spin-exchange relaxation-free atomic magnetometer.Applied Physics Letters，2004，85（20）：4804-4806.

[8]P.D.D.Schwindt，S Knappe，V Shah，et al.Chip-scale atomic magnetometer. Appl.Phys. Lett.，2004，85（26）： 6409-6411.

〔编辑：白洁〕