提高激光抽运铯原子磁力仪灵敏度的研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 13 (2013) 133201 提高激光抽运铯原子磁力仪灵敏度的研究* 李楠 黄凯凯 陆璇辉† ( 浙江大学物理系, 杭州 310027 ) ( 2013 年3 月11 日收到; 2013 年3 月21 日收到修改稿) 本文报道了一种基于激光抽运射频共振的铯原子磁力仪. 通过圆偏振光将铯原子抽运到暗态, 实现偏极化. 外 磁场存在时, 原子磁矩将以拉莫尔频率绕外磁场进动. 在共振射频磁场的作用下, 原子被去极化而重新吸收光子. 通 过探测出射光光谱可以测得拉莫尔频率进而得到外磁场的信息. 本文通过运用自制的894 nm 外腔半导体激光器, 建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境, 实现了一种基于铯原子激光抽运射频共振的磁力仪. 通过磁力仪参数 优化以及闭环测量, 磁力仪测量的外磁场达到了19 fT/Hz12 的极限灵敏度和1.8 pT/Hz12 的本征灵敏度, 空间分辨 率小于2 cm. 关键词: 光抽运, 塞曼效应, 光探测磁共振, 磁力仪 PACS: 32.80.Xx, 32.60.+I, 76.70.Hb, 07.55.Ge DOI: 10.7498/aps.62.133201 2 Mx 磁力仪的工作原理 1 引言 特定频率的圆偏振光通过铯泡时, 将铯原子抽 光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一 运到磁量子数绝对值最大的态, 这种状态称为偏极 种双共振过程, 其运用光抽运来研究原子超精细结 化. 在外界磁场中, 极化原子的磁矩将绕外磁场方 构塞曼子能级间磁共振现象的一种技术. 双共振技 向做拉莫尔进动, 频率为拉莫尔频率. 这种进动会 术是由诺贝尔物理学奖获得者Kastlor 于20 世纪 给出射光带来不同程度的调制, 探测这种调制的频 率, 并利用拉莫尔频率与外磁场的关系ω γ B , 50 年代提出的. 该技术既保存了磁共振高分辨的 L 0 特点, 同时将探测低频信号转化成探测高频光信号, 即可测量外磁场. 15 使测量灵敏度提高了几个数量级. 1962 年, Bloom Mx 磁力仪 通过加在气室上两个相互垂直 的磁场 , 来测量拉莫尔频率. 静磁场 沿Z 第一次实现了基于光抽运原理的磁力仪, 并且给 0 1 0 出了光抽运磁力仪的理论模型. 1992 年, Alexan- 轴方向, 与光束方向成θ 角, 射频磁场1 沿X 轴 drov 等人报道的钾磁力仪实现了0.1 pT/Hz12 的 方向, 与0 和光束方向垂直, 且射频磁场幅值远远 灵敏度, 使得光抽运磁力仪有可能超越传统的 小于静磁场幅值. 当原子被特定频率的激光极化后, SQUID 磁力仪. 2003 年, Bison 利用本征灵敏度 磁矩将绕外磁场方向进动, 总磁矩沿外磁场方向即 达 100 fT/Hz12 的激光抽运磁力仪得到人体心磁 Z 方向. 进动过程中磁矩 的演化可以用布洛赫 1 图, 可以获得比心电图更丰富的疾病诊断信息. 光