谢胤，罗方雪，张樊，王羚，柳占新

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所国防科技工业弱磁一级计量站，湖北宜昌 443001）

0 引言

磁场测量一直是精密测量领域的重要研究方向。自中国古代发明指南针以来，基于多种工作原理的磁场测量设备已被研制出来，如霍尔传感器、磁通门、质子磁力仪、超导量子磁力仪、无自旋交换弛豫磁力仪等。其中基于光磁共振原理的光泵磁力仪是一种量子磁传感器［1］，凭借高精度、高灵敏度和快速响应等特点在众多磁力仪中脱颖而出。光泵磁力仪在医学诊断［2］、地球物理［3］、惯性导航［4-5］等多个领域具有重要的应用。

根据工作模式的不同，光泵磁力仪可分为自激式和跟踪式，自激式光泵磁力仪具有更快的响应速率与更强的抗干扰能力［6］；根据工作元素的不同，光泵磁力仪又可分为碱金属原子光泵磁力仪和惰性气体光泵磁力仪［7］，碱金属光泵磁力仪中的工作物质主要为钾、铷和铯等元素。在地磁探测、磁性目标搜索等任务中，磁力仪需要安装在飞行器等运动载体上，自激式铯光泵磁力仪因具备快速响应、高灵敏度、稳定可靠等优点，得到了重点应用。

近年来，随着光泵磁力仪的发展，其国际最优水平灵敏度已达到0.3 pT/Hz1/2@1 Hz［8］。为了给磁传感器的校准和测试提供稳定的磁场环境，常用的方法是给磁屏蔽筒内的线圈通入恒定电流［9］来复现恒定的磁场，因此，复现磁场的噪声水平主要取决于电流源的噪声。若仅采用精密电流源来复现地磁场量级的磁场，其噪声水平无法满足光泵磁力仪的测试需求。

为了获得噪声更低的恒定磁场，介绍了一种基于光泵磁力仪的地磁噪声补偿系统，该系统由光泵磁力仪、函数发生器、鉴相控制器、磁场复现线圈等组成的锁相闭环系统，其中光泵磁力仪的灵敏度决定了该系统的补偿效果。实验采用研制的两型自激式铯光泵磁力仪：一种是以激光为光源的激光铯光泵磁力仪（Laser Optical-Pumping Magnetometer，LOPM），另一种是以铯原子光谱灯为光源的铯光泵磁力仪（CAM-01），该两种磁力仪除了光源不同，其它组成部分完全相同。基于此两种光泵磁力仪的地磁噪声补偿系统均复现了稳定的弱磁场，本文研究为设计和建造基于高灵敏度铯原子磁力仪的地磁噪声补偿系统提供了重要参考。

1 基本原理和实验装置

LOPM和CAM-01通过光泵浦和磁共振等技术测量拉莫尔频率，该方法首次被Dehmelt提出理论［10］，由Bell和Bloom实验验证［11］。自激式光泵磁力仪是通过光探测的方式锁定发生磁共振时射频场频率，进而推算待测磁场值。

激光器产生894.6 nm的线偏振光，经过光学器件后变成圆偏振光，入射到铯原子气室。铯原子与外磁场、射频场建立的三维坐标如图1所示，以外磁场B方向为z轴，射频场方向为x轴建立三维坐标系。

图1 三维坐标Fig.1 Three-dimensional coordinate

射频场表达式为

式中：B1为射频场磁感应强度的大小，T；ω为射频场频率，rad/s。

气室内铯原子在激光、外磁场和射频场等因素作用下，原子磁化强度发生改变，x轴磁矩越大，透射光强越小。整个原子宏观磁性可以用磁化强度M表示为

式中：μ为核磁矩，A·m2；V为样品体积，m3。其运动方程有

式中：B为外磁场和射频场的叠加，T；γ为原子的旋磁比，Hz/T。

根据布洛赫方程，磁化强度在x，y，z轴分量的演化为

式中：T1为纵向弛豫时间，s；T2为横向弛豫时间，s；Mx为磁化强度在x轴上的分量，A·m-1；My为磁化强度在y轴上的分量；Mz为磁化强度在z轴上的分量；M0为处于平衡态的原子的磁化强度。

解稳态方程，式（4）在x轴分量的稳态解有

式中：Δω=ω0-ω=γB-ω为频率的失谐量。

令

代入式（5）可得

根据式（6）可得

当铯原子气室发生光磁共振时，Δω趋近于0，根据式（8）可以得出α=90°，这时根据式（7）与式（1）可以计算出x轴的磁极化强度分量Mx滞后射频场相位90°［12］。

若要完成磁场的探测则需要增添一个自激回路进行磁场锁定和跟踪。首先，需要将光电信号进行一定幅度的放大，以满足幅度条件|AF|=1，A为开环增益，F为反馈系数；然后，因光信号超前射频信号90°，而光电转换及后续电路不会产生相移，所以需要额外的移相电路使得光电信号与射频信号满足自激振荡的相位条件，即Δφ=2nπ（n=0，1，2，3…）。这样便形成了完整的自激回路，可以进行磁场的跟踪与锁定。

CAM-01和LOPM的光路分别如图2（a）、图2（b）前端所示。图2（a）为原子光谱灯光源的铯光泵磁力仪，一定功率的射频信号激励铯原子光谱灯，其发出的荧光经过准直透镜后变成准平行光，然后通过窄带滤光片得到894.6 nm谱线的光。图2（b）为激光光源的铯光泵磁力仪，采用Vescent公司的D2-100-DBR激光模块，通过恒温控制和饱和吸收谱稳频之后得到894.6 nm波长的激光，再通过整形和扩束得到平行光。LOPM和CAM-01分别以激光和原子光谱灯作为光源，经偏振片和1/4波片后变成圆偏振光，随后进入原子气室并与铯原子相互作用，最后由透镜汇聚于光电探测器。实验过程中，两种光源的光斑直径均约为12 mm，光强约为1 mW。

地磁噪声补偿系统是一种具备噪声抑制和磁场复现功能的装置［13］。图2（c）展示了地磁补偿系统组成部分。为获取恒定的磁场，首先使用磁通门测量Y轴，Z轴磁场，并通过精密恒流电源进行补偿，抵消地磁场在Y，Z轴方向的分量，再通过精密恒流电源改变X轴线圈的电流来调节X轴方向的磁场大小。高稳定频率源输出一个参考频率，参考频率值对应目标磁场值，铯光泵磁力仪将X轴磁场值转换为频率信号，并通过改变X轴恒流源的输出电流，使铯光泵磁力仪输出频率值逼近参考频率，当频率差足够小，整个环路进入锁定状态。当环路进入锁定状态后，系统则可以自动补偿X轴地磁场的变化，并使铯光泵磁力仪的输出频率稳定在参考频率附近。

图2 基于铯光泵磁力仪的地磁噪声补偿系统示意图Fig.2 Schematic diagram of geomagnetic noise compensation system based on cesiumoptical-pumping magnetometer

3 实验结果

实验中，先采用CAM-01以10 Hz的采样率对地磁噪声补偿系统周围的环境磁场进行测量，如图3所示。从图中可以看出，环境磁场不但有持续漂移，而且在一定范围内环境磁场的磁感应强度峰-峰值大于80 pT，磁场漂移和噪声超出了磁传感器的校准和测试的要求。引起环境磁场漂移和噪声的因素十分复杂［14］，如地球自转、环境地质构造、周围地形环境、人造金属物体和周围电器设备等因素均会导致磁场噪声，当这些影响因素不可避免时，可通过地磁噪声补偿系统进行地磁噪声补偿和恒定磁场复现。

图3 环境磁场Fig.3 Environmental magnetic field

复现磁场的峰-峰值是评价地磁噪声补偿系统的重要指标。然后，将CAM-01和LOPM分别用于地磁噪声补偿系统，复现大小分别为20000，35000，50000，65000和80000 nT的磁场，两类铯光泵磁力仪测得的磁场如图4所示。分别以CAM-01和LOPM作为磁传感器的地磁噪声补偿系统所复现磁场的峰-峰值如表1所示。其中，当LOPM所测磁场的峰-峰值处于2.9 pT至7.6 pT之间时，CAM-01所测磁场的峰-峰值处于3.2 pT至10.8 pT之间时，均远低于地磁环境下磁场噪声，说明该地磁噪声补偿系统可以有效复现低噪声磁环境。如图4（a）～图4（c）所示，当复现50000 nT以下磁场时，以LOPM和CAM-01作为磁传感器的地磁噪声补偿系统复现磁场的峰-峰值相差不大；如图4（d）和图4（e）所示，当复现高于50000 nT的磁场时，以LOPM作为磁传感器的地磁噪声补偿系统复现磁场的峰-峰值低于以CAM-01为磁传感器的补偿系统。

表1 不同复现磁场的峰-峰值Table.1 Peak-to-peak value of different reproduced magnetic fields

图4 不同复现磁场的补偿效果图Fig.4 Diagram of the compensation effect of different reproduced magnetic fields

铯光泵磁力仪的灵敏度会对地磁噪声补偿系统复现磁场的效果产生影响，其复现磁场虽然不能直接用来进行铯光泵磁力仪噪声和灵敏度指标的评估，但能间接反映铯光泵磁力仪的性能。本文通过复现磁场的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）来间接分析铯光泵磁力仪灵敏度［15］。分别以CAM-01和LOPM作为磁传感器的地磁补偿系统，所复现磁场在1 Hz处的功率谱密度如表2所示。表中数据为图5（a）～图5（e）中LOPM和CAM-01在1 Hz的功率谱密度，随着复现磁场的增大，LOPM的PSD逐渐增大，但始终低于CAM-01，其原因在于，随着磁场强度的增大，原子气室内磁场梯度增大，且磁共振信号的线宽增大，导致光泵磁力仪灵敏度降低。

表2 不同复现磁场的功率谱密度(1 Hz)Table.2 PSDof different reproduced magnetic fields(1 Hz)

图5 不同复现磁场的功率谱密度Fig.5 PSDof different reproduced magnetic fields

4 结论

针对光泵磁力仪在地磁补偿系统中的应用问题，本文研制了两类用于地磁噪声补偿系统的自激式铯光泵磁力仪，相对于跟踪式氦光泵、钾光泵及质子磁力仪，具有更高的频率响应带宽，实现补偿系统对更高频率磁干扰的补偿能力。复现磁场峰-峰值低于10.8 pT（10 Hz采样率），功率谱密度优于0.5 pT/Hz1/2@1 Hz。基于激光光源的LOPM和基于原子光谱灯光源的CAM-01，既解决了环境磁场漂移的问题，又避免了环境磁场噪声过大的问题，复现了稳定的弱磁场，提高了校准和测试磁传感器的能力。此外，本文首次将激光铯光泵磁力仪应用于地磁噪声补偿系统，实验结果表明在较大磁场下可复现噪声更低的恒定磁场，为光泵磁力仪的灵敏度指标继续提高也提供了可参考的技术方案。