电子科技大学光电科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054
报道了一种基于交叉偏置磁场的单光束单调制三轴原子磁力仪。基于Bloch方程研究了单光束泵浦探测结构实现三轴磁场检测的理论，提出使用交叉偏置磁场来旋转原子自旋极化方向实现三轴磁场探测的方案，并通过实验进行了验证。仅采用单一调制磁场，在抑制低频噪声的前提下避免了磁场串扰问题。实验结果表明：在零磁场环境下，系统对X轴方向待测磁场的响应带宽为90 Hz，系统灵敏度为21 fT/（Hz1/2）；在Z轴方向施加34 nT的偏置磁场时，系统对Y轴方向待测磁场的响应带宽为130 Hz，系统灵敏度为26 fT/（Hz1/2）；在Y轴方向施加38 nT的偏置磁场时，系统对Z轴方向待测磁场的响应带宽为128 Hz，系统灵敏度为29 fT/（Hz1/2）。该三轴原子磁力仪体积小、结构简单且制作成本低，有望应用于生物医疗等领域。
原子磁力仪 三轴磁场 灵敏度 无自旋交换弛豫 弱磁检测 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512005
电子科技大学光电科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
磁场作为磁性物质的基本特性之一,备受人们关注,在**、医疗、工业等领域都有着广泛的应用。对高灵敏度微型光学原子磁力仪的基本原理、发展进程和应用前景进行了梳理。阐述了微型光学原子磁力仪的工作机理及系统组成,论述了原子气室制作方法及优化方法、原子气室加热方法、磁场信号检测等关键技术的发展历程,对高灵敏度微型光学原子磁力仪的最新研究进展进行综述,并对微型光学原子磁力仪的应用前景进行了展望。
原子与分子物理学 光学原子磁力仪 塞曼效应 微型化 高灵敏 磁场探测 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 230002
兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室, 甘肃 兰州 730030
报道了时序控制的抽运-检测型铷原子磁力仪中二能级磁共振物理过程的经典理论和实验研究。该原子磁力仪的工作原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于铷原子对线偏振光中左、右圆偏振成分有不同的吸收率,光的偏振方向会发生与磁场相关的转动。采用二能级磁共振经典物理图像描述了射频场与原子作用的物理过程,采用旋转坐标系推导了相关表达式,并在实验室坐标系中给出了原子磁力仪输出信号的表达式,指出铷原子磁力仪的输出信号与原子磁矩在探测光方向上的投影矢量有关,并通过实验验证了理论分析结果。研究结论有助于加深对磁共振经典物理图像的理解及时序控制的抽运-检测型铷原子磁力仪的工作原理和参数设置。
量子光学 原子磁力仪 抽运-检测 磁共振跃迁 旋转坐标系 中国激光
2020, 47(10): 1012001
1 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院, 浙江 杭州 310058
2 浙江工业大学应用物理系, 浙江 杭州 310023
在一定磁场下,自旋交换碰撞是原子磁力仪保持相干的一个主要限制因素,直接影响磁力仪能够达到的探测灵敏度。光缩效应可以对自旋交换碰撞展宽进行抑制,之前对光缩效应的观测是基于泵浦激光和射频场连续工作的方式,但会对原子共振展宽产生额外的影响。基于脉冲泵浦式原子磁力仪,通过极大限度地减小原子破坏性碰撞和外磁场空间不均匀性对共振展宽的影响,实现了对光缩效应的直接实验观测和验证。脉冲泵浦的方式有利于原子高极化度的实现,研究光缩效应对探索脉冲泵浦原子磁力仪的灵敏度极限具有重要意义。
原子与分子物理学 原子磁力仪 脉冲泵浦式 磁共振 自旋交换弛豫
浙江工业大学理学院生物与医学物理信息技术协同创新中心, 浙江 杭州 310023
设计了基于无自旋交换弛豫(SERF)的高灵敏度非低温铷原子磁力仪,其灵敏度在15 Hz处达到了6 fT/
Hz。利用此SERF磁力仪,在屏蔽筒内测量了人脑视觉皮层在睁眼和闭眼状态下的磁场差异。该SERF磁力仪采用抽运-探测双光模式,与单光配置相比,双光SERF磁力仪可以实现更高的灵敏度,并且不需要额外的磁场调制,因此省略了采集系统中复杂的锁相放大器。这种装置更有利于实现小型化的全头脑磁图传感器阵列。
测量 原子磁力仪 无自旋交换弛豫 脑磁图 中国激光
2018, 45(12): 1204006
1 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所, 湖北 宜昌 443003
2 国防科技工业弱磁一级计量站, 湖北 宜昌 443003
采取对激光左旋σ+偏振态和右旋σ-偏振态周期性调制产生共振的方法, 实现对Cs原子拉莫尔进动频率的检测, 取代了采用射频线圈产生共振的方法而实现了对磁场的全光检测, 从而避免了传统光泵原子磁力仪信号串扰的问题。展示了该方法对原子磁矩在磁场中进动频率的检测原理, 分析了该模式下的信号特征, 根据信号特征设计了对拉莫尔进动信号的检测和处理系统。同相信号显示为洛伦兹线形; 正交信号显示为色散线形, 在共振频率处大小为0; 相位信号显示为连续单调递减函数, 在共振频率处大小为0。正交信号和相位信号均可以用来锁定共振频率点, 实现磁场测量。
原子磁力仪 拉莫尔频率 全光检测 atomic magnetometer bell-bloom bell-bloom Larmor frequency all-optical detection 红外与激光工程
2018, 47(9): 0920001
1 中国科学技术大学近代物理系 中国科学院微观磁共振重点实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学量子信息与量子科技前沿协同创新中心, 安徽 合肥 230026
研制了用于液体零场核磁共振探测的无自旋交换弛豫(SERF)铷原子磁力仪。通过实验测量原子的磁共振曲线, 验证了磁力仪工作在SERF状态, 且结果与理论相符。采用增加光强的方法提高磁力仪带宽, 满足了液体零场核磁共振的带宽需求, 磁力仪在20~300 Hz 频率范围内的灵敏度低于18 fT/Hz1/2。用基于磁力仪研制的液体零场核磁共振装置对甲酸样品进行测量, 得到了13C标记的甲酸的零场核磁共振谱, 验证了磁力仪的可用性。
测量 原子磁力仪 无自旋交换弛豫 灵敏度 零场核磁共振 中国激光
2017, 44(10): 1004001
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
2 国防科学技术大学 量子信息学科交叉中心, 长沙 410073
为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强, 进而优化原子磁力仪的灵敏度, 理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系, 设计了实验装置。采用自由感应衰减法对直径20mm的铷原子球形气室在不同抽运光强下对应的横向弛豫时间进行测量, 并对相应的纵向弛豫时间进行测量, 计算出了不同光强下的极化率, 通过拟合得到了光强与极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系曲线。结果表明, 可在10mW/cm2附近得到系统最佳抽运光强。此研究结果为提高光强利用率并进一步优化铷原子磁力仪的灵敏度提供了指导。
量子光学 原子磁力仪 极化 横向弛豫时间 纵向弛豫时间 quantum optics atomic magnetometer polarization transverse relaxation time longitudinal relaxation time
1 东北石油大学 电子科学学院, 黑龙江 大庆 163318
2 东北石油大学 黑龙江省高校校企共建测试计量技术与仪器仪表研发中心, 黑龙江 大庆 163318
原子磁力仪的灵敏度直接取决于抽运光对原子的极化率.分析了Cs原子气室中充入13 332.2 Pa He缓冲气体,两束抽运光频率分别锁定在Cs原子D1线F=4→F′=3和F=3→F′=4共振跃迁线时,基态和激发态各磁子能级上粒子数变化的动力学过程,发现在抽运光的持续作用下Cs原子基态F=3和F=4各磁子能级上的粒子被完全抽运至|F=4,mF=4>态,Cs原子极化率达到最大值.同时,实验结果证明双光束抽运有效提高了磁力仪响应特性曲线的信噪比,从而使原子磁力仪的灵敏度提高了34%.
双光束抽运 原子磁力仪 抽运光频率 原子气室 速率方程 two pump beams atomic magnetometer pump light frequency atomic vapor cell rate equation
