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【天富测速登录】新研发的激光泵浦4He磁力仪,可用于测量地磁场和空间磁场强度!

科学家提出了一种在单个4He原子单元内同时实现磁场测量和激光频率稳定的紧凑4He磁力仪。该稳频方案是基于空间不均匀光位移引起的非对称磁共振线形。本文从理论和实验两方面研究了磁光双共振结构的激光泵浦4He磁力仪中磁共振信号的不对称线形。请注意,由于不对称的线形,磁谐振信号的同相分量显示出与激光频率失谐有线性关系,并用于主动锁定激光频率到谐振点。该方法降低了系统的复杂性,提高了磁力仪的稳定性,使激光泵浦4He磁力仪更加小巧便携。

相关论文以题为“A Compact Laser Pumped 4He Magnetometer with Laser-Frequency Stabilization by Inhomogeneous Light Shifts”发表在《Applied Sciences》上。


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激光泵浦原子磁力仪的研究始于20世纪80年代,并逐步从实验研究发展到实际应用。与放光灯相比,具有更好的单色性和更高强度的激光器可以提高信噪比,从而提高原子磁力仪的灵敏度。然而,由于缺少适当的稳频机制,激光器的中心频率容易受到环境的影响,偏离原子跃迁的共振频率,导致光发生位移。特别是,激光的波动频率和强度是主要限制决定了激光注入原子磁力仪的灵敏度测量低频振荡磁场信号,也会影响通过light-shift效应磁力仪的准确性,这是与激光频率解调和激光强度成正比。因此,激光泵浦原子磁力仪的光泵浦和检测需要一种频率和强度稳定的激光光源。

传统的激光泵浦原子磁力仪通常配备激光稳频系统。典型的激光稳频系统包括饱和吸收光谱学、二向色原子蒸汽激光锁(DAVLL)、偏振光谱学和调制转移光谱学。所有这些方案都需要一个额外的原子参考单元,这使得原子磁力仪系统更加复杂。此外,由于参考电池的参数(光强、气体放电功率、环境温度和蒸气电池压力)与原子传感器的参数一般不相同,因此很难将激光的中心频率锁定在所需的频率上。这些问题会导致系统性错误。除了使用额外的参考单元外,还可以利用其他替代方法来稳定激光频率。例如,利用原子对准定向转换(AOC)效应来抑制激光泵浦4He磁力仪中的光移。饱和吸收光谱和使用圆偏振光的磁共振也可以在同一个电池中实现。但是这些方法都需要一个额外的锁相放大器,这使得原子磁力仪系统更加复杂。

本文提出了一种紧凑的4He磁力仪系统,该系统可以测量磁光双共振(MODR)结构下的环境磁场,同时利用光在同一单元内的不均匀位移来稳定激光频率。当激光束被4He原子吸收时,沿传播方向产生光强空间梯度,导致光在不同位置发生不均匀位移。从理论上分析了激光泵浦4He磁力仪中光位移的不均匀分布,并进行了实验验证。非均匀光移的特性表明,同相分量的幅值变化与激光频率失谐近似成正比,可用于激光稳频。这种方法也可应用于其他原子磁力仪。原子磁力仪结构紧凑,携带方便,适用于测量地磁场和空间磁场。

实验设置

实验装置如图1所示,是一个典型的在常规MODR配置下的激光泵浦4He磁力仪。光纤激光器(FL)发出的激光波长约为1083纳米。在路径中插入波束扩展器(BE),将腰部直径扩大到12mm (1/e2),以增加信号幅度。

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图1.实验装置示意图。

根据这个实验装置,泵浦光的功率被设定为3mw。激光的波长约为1083.205 nm,可以通过压电换能器(PZT)进行调节。通过扫描频率合成器的频率ω(FS),解调信号振幅R是如图2所示。可以看出,当激光频率为共振时,磁共振信号的线形是对称的,最大吸收为零。当激光频率失谐时,线形变得不对称,R值不为零。由于正交分量Y是一个分散的功能扫描频率ω,研究人员使用这种正交分量锁拉莫尔频率亥姆霍兹线圈和测量偏差的帮助下磁场B0沿z方向。当激光频率为共振时,同相分量消失。然而,当激光失谐时,同相分量不会因为汽腔内的不均匀光移而消失,可以作为激光稳频的反馈控制。

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图2.(a)不同激光失谐情况下解调磁共振信号振幅的实验结果。正失谐约为800兆赫,负失谐约为−800兆赫。当激光失谐时,同相分量X的振幅不消失,拉莫尔频率由锁定在零处的正交分量Y得到。(b)考虑空间不均匀光移后,解调磁共振信号在有无激光失谐情况下振幅的理论模拟结果。

研究结果

为了研究同相分量的变化,研究人员在大范围内改变了激光失谐。如图3所示,以4He原子D0线为中心的激光频率失谐从−0.45 GHz变为0.6 GHz。同相分量与激光失谐近似成线性关系。在谐振频率的两边,同相分量的符号是相反的,可以用来反馈和锁定激光频率。用激光泵浦4He磁力仪在有和没有激光稳频的情况下检测偏置磁场B0。这里,研究人员的磁力仪系统的带宽大约是5赫兹。如图4所示,黑线是艾伦偏差的测量磁场没有激光频率稳定,这是迅速下降,然后上升,表明几种噪声引起的不同的物理机制同时存在包括泵的频率漂移的激光。为便于比较,红线为通过同相分量反馈控制实现激光稳频后测量磁场的阿兰偏差。

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图3.不同激光失谐的磁共振信号的同相分量。对于同相分量,误差条是来自八个单独的测量。影响同相信号的误差源有激光强度波动、b1场频移、磁场梯度、锁相放大器的相移设置和碰撞位移等。对于激光频率失谐,误差条来自用于监视激光频率的波长计(约为50 MHz)的分辨率限制。


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图4.(a)有无频率稳定时磁力仪测量结果的Allan偏差。(b)时域测量结果。(c)频域测量结果。激光泵浦4He磁力仪的带宽约为5hz,由锁相放大器的时间常数和PID控制器的参数设置决定。

测量时间从0.2 s到50 s,由于激光频率波动的抑制,Allan偏差持续下降,显示了较好的系统稳定性。然而,尽管这个简单的方法执行得很好,但是研究人员观察到测量时间的Allan偏差增加了,小于~ 3 s。这是因为PID控制器的参数设置经过优化,以抑制激光频率的长期漂移。这一结论在图4b、c中得到了很好的支持,图4b、c都清楚地表明,激光稳频后,长期的频率漂移被抑制,而短期的波动增加。

结论

研究人员演示了一种简单的方法来稳定激光频率,这是由于在激光泵浦4He磁力仪的单个气体单元中光的不均匀位移。该方法仅利用解调后的磁共振信号的同相分量作为反馈控制来锁定激光频率,利用正交分量在拉莫尔频率处跟踪锁定来测量磁标量场。提出的激光泵浦4He磁力仪比不稳定激光频率的磁力仪更稳定。这种方法使激光泵浦原子磁力仪具有小巧便携的设计,适用于体积小、重量轻的应用。

论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3608/htm

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