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MFLI低噪聲鎖相放大器在光泵浦磁強計領(lǐng)域的應(yīng)用

2024-05-13895次

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊在極弱磁場量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次利用暗態(tài)自旋實現(xiàn)極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數(shù)突破5000倍，單次磁場測量精度達(dá)到0.1fT水平。

一、應(yīng)用簡介

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

不同類型的原子磁強計適用于不同的場強范圍。例如，拉莫爾磁強計可以測量與地球磁場相當(dāng)?shù)拇艌觯▇50μT），因此通常用于勘探任務(wù)。對于低于10nT的超低磁場，在無自旋交換弛豫（SERF）機制下工作的，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——從人類大腦腦機接口的探索到類軸子暗物質(zhì)的研究。

二、測量策略

無論具體配置如何，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的磁場中進(jìn)動。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)。

我們通過檢測線性偏振探測光束的法拉第旋轉(zhuǎn)來測量測量這種自旋的進(jìn)動。法拉第旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致探測光的偏振軸與自旋在探測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)動探測光（或泵浦光）的調(diào)制器（開關(guān)），同時可以有效地獲取光電探測器的信號。

① 拉莫爾磁強計

拉莫爾磁強計的原理是通過測量自旋進(jìn)動的拉莫爾頻率來測量任意強度的磁場。拉莫爾頻率與磁場強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。對于使用MFLI鎖相放大器的拉莫爾測量，泵浦光首先由MFLI的觸發(fā)輸出開啟。

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測量來自光電探測器的信號。為了確定該信號的頻率，即拉莫爾頻率，可以讓MFLI以一個固定的參考頻率解調(diào)這個信號。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，可以看到其隨時間線性演變；計算相位對時間的一階導(dǎo)數(shù)即可得到拉莫爾頻率和參考頻率之間的差值。

圖1：拉莫爾磁強計

② SERF 磁強計

SERF磁強計只能用于測量小于~10nT的磁場，從可以測量pT量級的磁場強度變化，對應(yīng)于幾mHz的拉莫爾頻率。SERF不是直接測量拉莫爾頻率，而是在大約10ms的典型探測時間內(nèi)測量微小旋轉(zhuǎn)。為了克服電子器件的1/f噪聲，可以對探測光以幾kHz進(jìn)行調(diào)制，MFLI的AUX Input 接入調(diào)制信號的同步信號，從而獲得參考頻率。

輸入端接入光電探測器的信號，以參考頻率對其進(jìn)行鎖相測量。這樣測到的振幅或（和）相位與探測光的法拉第旋轉(zhuǎn)成正比，該法拉第旋轉(zhuǎn)本身隨著磁場的增加而線性增加。為了建立鎖相信號和磁場之間的比例并識別線性范圍，可以使用MFLI的低噪聲輸出控制一組亥姆霍茲線圈來掃描磁場。此過程可以在LabOne的Sweeper參數(shù)掃描儀工具中完成。此外，通過利用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保持在零附近。

圖2：SERF 磁強計

三、選擇MFLI鎖相放大器的優(yōu)勢

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)整補償補償磁場、檢測帶寬和靈敏度。

拉莫爾磁強計得益于低噪聲輸入和穩(wěn)定的參考時鐘，以及DAQ模塊可以實現(xiàn)相位演變實時讀出，并可以進(jìn)行擬合。

系統(tǒng)的可擴展性：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，高級的操作方案，比如反饋控制，磁場參數(shù)調(diào)控，其它參數(shù)調(diào)控等，只需點擊幾下即可實現(xiàn)。

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