郭立新　王羚

摘 要：设计了一种基于双吸收室的自激式Cs原子激光光泵磁力仪系统，通过两个对称的自激式激光光泵磁力仪中的原子吸收室相互抵消相移，使自激式激光光泵磁力仪系统在不存在±90°移相电路的情况下，也能满足θ=0°的相位条件，从而使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化，还能使自激式光泵磁力仪系统的共振谱线更加对称，能极大降低由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差。

关键词：光泵磁力仪;自激式;拉莫尔频率;双吸收室

0  引言

光泵原子磁力仪（OPM）是通过测量原子磁矩在静磁场中的拉莫尔进动频率来测量静磁场的一种磁场标量测量仪器[1]。共振光源用于极化原子使原子自旋取向产生宏观磁矩，然后，通过检测原子气体对共振光吸收系数来检测磁矩进动效应。光泵原子磁力仪的早期研究可以追溯到上世纪六十年代[2，3]，当时主要采用原子光谱灯作为泵浦光源。近年来，随着微加工工艺和小型半导体激光器研究的进展，采用激光作为泵浦光源的光泵原子磁力仪又成为研究热点[4-6]。

碱金属或氦原子能级在弱磁场中产生塞曼分裂，能级分裂大小与磁场大小成正比。在热平衡条件下，各塞曼子能级遵从波尔兹曼分布，各能级接近均匀分布。在光泵浦作用下，特定偏振状态的光被碱金属原子或氦原子吸收，碱金属原子或氦原子对光的吸收在满足能量守恒的同时还受到选择定则的约束，原子热平衡状態在光泵浦作用下被打破而产生一定的自旋取向，在光传播方向上形成宏观磁矩[7-8]。宏观磁矩使碱金属原子或氦原子在磁场中受到力矩作用，其围绕磁场作拉莫尔进动，进动频率与磁场成正比，可表示为ω=γB，γ为旋磁比。利用射频线圈产生的射频频率与拉莫尔频率产生共振的方法，或者利用对激光波长、强度或偏振态的调制频率与拉莫尔频率产生共振的方法，通过信号检测系统获取拉莫尔频率，根据其与磁场的正比例关系，得到磁场大小。

Mx结构自激式的光泵磁力仪是使拉莫尔大小的频率信号在系统中产生正反馈振荡，根据所测得的系统振荡频率值而得到磁场大小。自激式的光泵磁力仪具有响应速度快、结构简单等特点，目前很多光泵磁力仪（如Cs-L、Cs-3等）均采用这种方法。为了使系统产生稳定的正反馈，需要使整个回路满足相位θ=0°和放大倍数u=1的条件，通常采用的方法是设计包含90°移相电路和增益可调的放大电路[9]。然而，在实际应用中，由于Cs原子能级不对称且随磁场变化，加上激光与Cs原子相互作用引起的光频移，当磁场与光泵磁力仪的相对方向发生变化时，所测得的磁场值会带有转向差;90°移相电路也大大增加了整个电路的复杂性。

本文研究了一种采用双吸收室结构的激光光泵Cs原子光泵磁力仪系统，通过对称的双吸收室结构设计使整个系统回路在不存在±90°移相电路的情况下相位差为0，从而使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化，还能使自激式光泵磁力仪系统的共振谱线更加对称，能极大降低由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差。

1  工作原理

在没有光泵浦作用时，133Cs原子基态Fg=3和Fg=4上的粒子数均匀分布，没有极化效果（如图1所示）。当有一束频率为D1线Fg=3→Fe=4的左旋圆偏振光与铯原子作用时，根据跃迁选择定则，对于左旋圆偏振光只有满足ΔmF=+1的两个塞曼子能级间可以产生跃迁，因此基态Fg=3的粒子数会被泵浦至激发态Fe=4上磁量子数高的能级上。由于激发态不稳定，粒子会通过自发辐射回落到基态Fg=3和Fg=4符合ΔmF=0，±1的塞曼子能级上。回落到基态Fg=3上的粒子会由于光泵浦作用继续被泵浦至磁量子数高的能级上。最终Fg=3上的粒子数会被抽空，全被泵浦至Fg=4线上，并且在|Fg=4，mF=4>塞曼子能级上的粒子数最多。从而使Fg=4态上的粒子数分布不均匀，实现原子自旋的极化。而在右旋圆偏振光作用下，极化过程相反。

原子吸收室中的原子能级在外磁场下产生塞曼分裂，形成塞曼子能级，在圆偏振光的泵浦下，原子塞曼子能级的热平衡状态被打破，则原子将会产生一定的自旋取向，并在圆偏振光的传播方向上形成宏观磁矩，宏观磁矩的存在使得原子吸收室中的原子在外部磁场下受到力矩作用，原子将围绕外部磁场作拉莫尔进动，且拉莫尔进动的频率与外部磁场的大小成正比;由此可见，若想要通过自激式激光光泵磁力仪测量外部磁场的大小，就需要知道拉莫尔进动的频率。同时在交变磁场的作用下，交变磁场使得原子磁矩相干，原子磁矩相干后，原子磁矩的大小变化才是一个周期性信号，呈现周期性才能保持一个稳定的频率，而从原子吸收室输出的光信号的光强与原子磁矩的大小成线性相关，则当原子磁矩大小周期性变化时，光信号的光强也周期性变化，也就是说，此时光信号的频率与原子磁矩的频率相同;而当射频线圈上的交流电信号的频率与拉莫尔频率相等时，说明被圆偏振光泵浦后的原子能级与射频线圈产生的交变磁场产生共振，形成光磁共振效应，此时，光电探测器输出的电信号再输入射频线圈。产生自激振荡需要满足两个条件：整个系统回路相位差满足θ=2nπ（n=0，±1，…）;系统放大倍数u在起振时略大于1，而在形成稳定振荡后大小为1。

2  系统设计

图2所示为双吸收室自激式Cs原子激光光泵磁力仪系统示意图，半导体激光器1发出的光线经扩束器2扩束，经半透半反镜3和反射镜4、5、6后变为反方向传播的两束光，两束光分别经过偏振片7、14和1/4玻片8、15后变为左旋圆偏振光，然后经过吸收室10、17，再通过汇聚透镜11、18聚焦到光电探测器12、19上将光信号转换为电信号，探测器12/19上的信号经放大器13/20分别放大后连接至射频线圈9/16，频率计数器21用于测试系统振荡频率。

圆偏振光模块（7/8和14/15）出射的两束大小相等、方向相反的圆偏振光分别入射到原子吸收室10和17，在射频线圈9产生的交变磁场和外部磁场的共同作用下，圆偏振光通过泵浦原子吸收室10形成光磁共振，则原子吸收室10得到第一输出光;同时，在射频线圈16产生的交变磁场和外部磁场的共同作用下，圆偏振光通过泵浦原子吸收室17形成光磁共振，则原子吸收室17得到第二输出光。光电探测器12用于将第一输出光转换为第一电信号，然后第一电信号输入到射频线圈16，则射频线圈16为原子吸收室17中的光磁共振提供交变磁场。光电探测器19用于将第二输出光转换为第二电信号，然后第二电信号输入到射频线圈9，则射频线圈9为原子吸收室10中的光磁共振提供交变磁场。频率计数器21用于测量第一电信号或第二电信号的振荡频率值，然后通过振荡频率值与磁场的对应关系，得到外部磁场的大小。

3  結束语

本文研究了自激式的Cs原子激光光泵磁力仪，采用对称分布的双吸收室结构设计，这种结构使得自激式激光光泵磁力仪系统在不存在±90°移相电路的情况下，也能满足θ=0°的相位条件，使整个自激式光泵磁力仪系统避免了±90°移相电路，从而使电路结构大大简化。除此之外，自激式光泵磁力仪系统的共振谱线也更加对称，由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差得到更好地抑制。

参考文献

[1]  Happer W. Optical Pumping[J]. Rev. Mod. Phy， 1972. 44（2）：169-249.

[2]  Arnold L. Bloom. Principles of Operation of the Rubidium Vapor Magnetometer[J]. Applied Optics， 1962. 1（1）：61-68.

[3]  William E. Bell， Arnold L. Bloom. Optically Driven Spin Precession[J]. Physical Review Letters， 1961. 6（6）：280-281.

[4]  Xi Chen， Wei Quan， Lihong Duan， et al. Design and realization of beam collimation system for semiconductor laser in atomic magnetometer[J]. Proc. of SPIE， 2015. 9671（967114）：1-6.

[5]  S. Arach， G. Ban， G. Bison， et al. Highly stable atomic vector magnetometer based on free spin pression[J]. Optics Express. 2015. 23（17）：22108-22115.

[6]  Ji-Qing Fu， Peng-Cheng Du， Qing Zhou et al. Spin dynamics of potassium magnetometer in spin-exchange relaxation free regime[J]. Chin. Phys. B. 2016. 25（1）：010302.

[7]  A. A. Baranov， S. V. Ermak， E. A. Sagitov， et al. Double Resonance Fequency Light Shift Compensation in Optically Oriented Laser-Pumped Alkali Atoms[J]. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2015. 121（3）：393-403.

[8]  S. P. Dmitriev， R. A. Zhitnikov， A. I. Okunevich. Effect of Penning collisions between optically oriented Rb and He atoms on electron density in plama[J]. Sov. Phys.-JETP， 1976. 43（1）：35-39.

[9]  S. Groeger， A. S. Pazgalev， A， Weis. Comparision of discharge lamp and laser pumped cesium magnetometers[J]. Applied Physics B， 2005. 80：645-654.