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MFLI低噪聲鎖相放大器在光泵浦磁強(qiáng)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

2024-05-131011次

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)在極弱磁場(chǎng)量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次利用暗態(tài)自旋實(shí)現(xiàn)極弱磁場(chǎng)的量子放大，磁場(chǎng)放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場(chǎng)測(cè)量精度達(dá)到0.1fT水平。

一、應(yīng)用簡(jiǎn)介

光泵浦磁強(qiáng)計(jì)（OPN），也稱為原子磁強(qiáng)計(jì)，是探測(cè)非常弱磁場(chǎng)的最靈敏的工具之一，其靈敏度達(dá)到 fT/√Hz 狀態(tài)。OPM是基于磁場(chǎng)中的堿原子自旋態(tài)的進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)的頻率，即拉莫爾頻率，與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。因此，可以通過(guò)測(cè)量拉莫爾頻率或自旋方向的相應(yīng)變化來(lái)確定場(chǎng)強(qiáng)。

不同類型的原子磁強(qiáng)計(jì)適用于不同的場(chǎng)強(qiáng)范圍。例如，拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)可以測(cè)量與地球磁場(chǎng)相當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)（~50μT），因此通常用于勘探任務(wù)。對(duì)于低于10nT的超低磁場(chǎng)，在無(wú)自旋交換弛豫（SERF）機(jī)制下工作的，OPM已經(jīng)展示了創(chuàng)紀(jì)錄的靈敏度，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇——從人類大腦腦機(jī)接口的探索到類軸子暗物質(zhì)的研究。

二、測(cè)量策略

無(wú)論具體配置如何，OPM都遵循相同的基本原理。圖1和圖2展示了核心部件，其中含有堿原子蒸汽的玻璃氣室，用作傳感。極化后，這些原子的自旋在待探測(cè)的磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)。為了使堿原子蒸汽極化，特定頻率的圓偏振泵浦光促使原子處于相同自旋方向的相同狀態(tài)。

我們通過(guò)檢測(cè)線性偏振探測(cè)光束的法拉第旋轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量測(cè)量這種自旋的進(jìn)動(dòng)。法拉第旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致探測(cè)光的偏振軸與自旋在探測(cè)光束軸上的投影成比例地旋轉(zhuǎn)。蘇黎世儀器MFLI鎖相放大器可用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)光（或泵浦光）的調(diào)制器（開(kāi)關(guān)），同時(shí)可以有效地獲取光電探測(cè)器的信號(hào)。

① 拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)

拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)的原理是通過(guò)測(cè)量自旋進(jìn)動(dòng)的拉莫爾頻率來(lái)測(cè)量任意強(qiáng)度的磁場(chǎng)。拉莫爾頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度和特定原子的旋磁比成正比，旋磁比可以由基本常數(shù)確定；例如，銣原子的自旋以約7kHz/μT進(jìn)動(dòng)。對(duì)于使用MFLI鎖相放大器的拉莫爾測(cè)量，泵浦光首先由MFLI的觸發(fā)輸出開(kāi)啟。

在氣體被極化后，關(guān)閉泵浦光之后，使用儀器的電壓輸入來(lái)測(cè)量來(lái)自光電探測(cè)器的信號(hào)。為了確定該信號(hào)的頻率，即拉莫爾頻率，可以讓MFLI以一個(gè)固定的參考頻率解調(diào)這個(gè)信號(hào)。所解調(diào)出的相位可以用LabOne軟件中的Plotter工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和繪制，可以看到其隨時(shí)間線性演變；計(jì)算相位對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)即可得到拉莫爾頻率和參考頻率之間的差值。

圖1：拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)

② SERF 磁強(qiáng)計(jì)

SERF磁強(qiáng)計(jì)只能用于測(cè)量小于~10nT的磁場(chǎng)，從可以測(cè)量pT量級(jí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，對(duì)應(yīng)于幾mHz的拉莫爾頻率。SERF不是直接測(cè)量拉莫爾頻率，而是在大約10ms的典型探測(cè)時(shí)間內(nèi)測(cè)量微小旋轉(zhuǎn)。為了克服電子器件的1/f噪聲，可以對(duì)探測(cè)光以幾kHz進(jìn)行調(diào)制，MFLI的AUX Input 接入調(diào)制信號(hào)的同步信號(hào)，從而獲得參考頻率。

輸入端接入光電探測(cè)器的信號(hào)，以參考頻率對(duì)其進(jìn)行鎖相測(cè)量。這樣測(cè)到的振幅或（和）相位與探測(cè)光的法拉第旋轉(zhuǎn)成正比，該法拉第旋轉(zhuǎn)本身隨著磁場(chǎng)的增加而線性增加。為了建立鎖相信號(hào)和磁場(chǎng)之間的比例并識(shí)別線性范圍，可以使用MFLI的低噪聲輸出控制一組亥姆霍茲線圈來(lái)掃描磁場(chǎng)。此過(guò)程可以在LabOne的Sweeper參數(shù)掃描儀工具中完成。此外，通過(guò)利用MFLI的PID反饋控制器功能，可以向線圈施加反饋以將背景磁場(chǎng)保持在零附近。

圖2：SERF 磁強(qiáng)計(jì)

三、選擇MFLI鎖相放大器的優(yōu)勢(shì)

Sweeper參數(shù)掃描儀、Spectrum Analyzer頻譜分析儀和Plotter繪圖儀工具可以幫助直接在線調(diào)整補(bǔ)償補(bǔ)償磁場(chǎng)、檢測(cè)帶寬和靈敏度。

拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)得益于低噪聲輸入和穩(wěn)定的參考時(shí)鐘，以及DAQ模塊可以實(shí)現(xiàn)相位演變實(shí)時(shí)讀出，并可以進(jìn)行擬合。

系統(tǒng)的可擴(kuò)展性：LabOne軟件提供多設(shè)備同步（MDS）功能，可以從OPM單元陣列中同步獲取數(shù)據(jù)。

MFLI可以使用電池供電，這樣可以減少來(lái)自電源線的干擾。

得益于PID反饋控制器、PLL鎖相環(huán)或MD多解調(diào)器選件，高級(jí)的操作方案，比如反饋控制，磁場(chǎng)參數(shù)調(diào)控，其它參數(shù)調(diào)控等，只需點(diǎn)擊幾下即可實(shí)現(xiàn)。

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① 拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)