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(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

磁场的检测在军事、考古、勘探、导航以及医学等领域都发挥着重要的作用,磁力计的研究与制作水平显得非常关键。近半个世纪以来,各种磁力计不断产生,在检测范围,灵敏度以及实际应用领域也是各不相同。在原子磁力计产生之前,超导量子干涉磁力仪(SQUID)作为技术最成熟、检测灵敏度最高的磁力仪,在生物磁场检测方面得以广泛应用。其磁力检测的灵敏度达到1 fT,测量量程达到1 fT～1 T[1]。但是,超导量子干涉磁力仪需要在超低温的条件下工作,需要体积庞大的杜瓦瓶来维持低温工作环境,成本非常高。基于这样的原因,原子磁力计得到了飞速的发展。尤其是碱金属原子磁力仪,以碱金属K、Cs、Se的塞曼效应为基础,通过检测电子自旋已被极化的碱金属原子在磁场中的进动及旋转角,从而检测出磁场强度,目前的实验室灵敏度可以达到0.54 fT[2]。碱金属原子磁力仪不仅在灵敏度上可以超越超导量子干涉磁力仪,而且可以在室温条件下工作,不需要杜瓦瓶冷却,成本低,体积小,便于集成,众多优势使得碱金属原子磁力仪成为了当前的研究热点。其中,以K原子磁力仪的研究最为有成效,如图1所示K原子磁力仪的检测灵敏度和精度相比于其他碱金属原子(Rb、Ce)磁力仪更具优势。

图1 各种原子磁力仪对应的灵敏度和精度Fig.1 Sensitivity and accuracy of different atomic magnetometers

K原子具有较为规则且更窄的电子自旋共振谱线宽,从而具有相对较高的拉莫进动频率(7 Hz/nT),所以可以具有更高的分辨率,测量时错误率更低。……