OPM光泵浦磁强计-飞时科技（北京）有限公司提供锁相放大器,量子信号测控设备,单光子探测器,信号发生器,精密源,物性测试设备。

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OPM光泵浦磁强计

简介：

OPM作为当今世界上最灵敏的弱磁探测设备之一，因为其体积小，造价便宜在市场上逐步替代了SQUID即超导弱磁探测装置。其基本原理是利用高度极化的碱性原子蒸气对于磁场的高度敏感，来实现对于磁场的探测。锁相在此类实验中可以起到调制亥姆赫兹线圈，探测光电信号等作用。

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应用说明锁相测量策略相关产品优势相关推荐产品

应用说明

相关产品：HF2LI，MFLI

背景介绍

在我们生活的环境里电磁波无处不在，而磁场似乎总是让人觉得与我们的生活并不息息相关。但是作为一种物理场，和光场，电场一样可以充当我们传递信息，能量的媒介。但是由于人类没有直接感应磁场的感官，所以需要我们借助科研仪器，去探测这个神秘的磁场。

我们按照磁场强度，将磁场分为强磁和弱磁。目前探测弱磁场的设备大致有磁通门磁力仪，光纤磁场传感器，磁阻传感器，超导量子干涉磁力仪（SQUID），和本篇要介绍的光泵浦磁强计。

超导量子干涉磁力仪作为和光泵浦磁强计对比的弱磁探测设备，其工作原理是磁场改变，约瑟夫森结的超导电子会产生隧穿效应，导致电学信号发生变化，通过检测电学信号来探测磁场的变化。这种设备已经在脑电波成像等领域发挥了作用，但是由于其价格昂贵，体积巨大，一直没有办法大规模生产。

光泵浦磁强计作为新型探测极弱磁场的设备，随着无自旋弛豫理论的提出，其理论探测磁场的灵敏度已经达到fT/Hz量级，由于其设备造价比起SQUID便宜，体积也小。已经在市场上逐渐代替了SQUID，并且可以安装在汽车，飞机，轮船，火箭上，为大范围，多场景的磁场探测提供了有利条件。

在地质学方面，磁场可以用来检测地震活动，地壳运动，矿产分布等相关实验研究，而光泵浦磁强计由于体积小，可以很方便的布置在任何场景中。在海洋探测方面，光泵浦磁强计可以探测过去战争遗留下来的鱼雷，沉船，也可以探测海底的油田分布。在深空探测方面，光泵浦磁强计可以装载在火箭里，用来探测来自深远宇宙空间中的磁场信息，研究神秘的暗物质和行星。此外最引人注目的应用还是生物领域中的脑磁图成像，我们知道人的神经活动是一种电信号，在周围产生磁场变化，我们将传感器贴在人的大脑的不同功能区，检测其磁场变化，就能还原出我们大脑活动的模式。目前已有研究脑电图成像的公司利用光泵浦磁强计来实现脑磁图成像。

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SERF光泵浦磁强计实验装置介绍

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我们知道高度极化的原子对外界磁场极为敏感，外界磁场发生变化时，极化程度也会发生变化，从而导致激光经过该原子蒸气室时强度发生变化。SERF光泵原子磁力仪实验平台的整体结构如图所示，主要包括光路结构、线圈结构、被动式磁屏蔽结构、锁相放大及信号处理模块。其中，1550 nm、795 nm 分别表示1550 nm、795 nm激光器，S是50:50分束镜，R是反射镜，P是起偏器， QWP是四分之一波片，A是原子气室，H1和H2分别表示两对亥姆霍兹线圈，PD 为光电探测器，TIA是跨组放大器，DAQ为数据采集及处理。根据无自旋弛豫理论，需要零磁场环境降低拉莫尔频率的不确定度，利用三轴线圈和屏蔽桶遮挡外界磁场。同时要利用不与气体室里的原子发生反应的激光加热气体室，图中为1550nm的激光，使活跃的碱性气体原子体密度增多。利用795nm的圆偏振激光，泵浦和腔内原子发生作用，将光子角动量传递给碱性金属的电子，使原子的磁矩取向一致，使碱性原子高度极化。同时795nm波长的光也起到探测光的作用，外界磁场会导致极化发生变化，而极化会导致探测光的强度变化，通过光电探测器，检测光强度的变化，就能知道磁场的变化。锁相在这里起到调制亥姆赫兹线圈产生磁场的频率，和接受光电信号的作用。

锁相测量策略

光电探测器将光强信号转化为光电流信号，该光电流信号十分微弱因此需要对其进行放大，选取前置跨组放大器（Trans-impedance amplifier，TIA）将微弱光电流信号放大为电压信号后送入锁相放大器进行解调，为了满足双通道测量需求，选择苏黎世仪器生产的双通道低噪声跨组放大器（Zurich Instrument，HF2TA），其电流放大增益可在100~100M之间调节，可以与锁相放大器协同工作，实物图如下。

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锁相检测是磁力仪的核心模块之一，通过检测光吸收效应也可以探测磁场。但是信号受到低频噪声干扰较大并且没有线型区域用于标定磁力仪性能，直接探测磁场性能较差，锁相检测可以解决这些问题，通过将信号调制至高频后进行同频率解调，可以提升系统信噪比。瑞士苏黎世仪器公司生产双通道高精度锁相放大器（Zurich Instrument，HF2LI），实物如下图，其自带的双通道调制和双通道锁相检测单元能够很好地满足基于双气室结构的高灵敏度磁力仪需求。

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由于此类实验注重信噪比，我们可以利用双气室的共模信号，利用苏黎世锁相的差分输入减小输入噪声。并且在我们确定光强对磁场变化的灵敏度时需要用到扫描去控制亥姆赫兹线圈磁场的变化。而苏黎世锁相自带的扫描模块，可以很方便的帮助我们完成这项工作，免去额外复杂的扫描控制装置。HF2的双调制和双输出可以让我们同时控制两对线圈，对于双气室的光泵浦磁强计也是适配的。

另外也可以利用苏黎世的另一款产品MFLI进行光泵浦磁强计的研究。不管使用哪一款产品，基本的原则都是利用碱性原子蒸气作为传感，通过检测光学信号随极化的变化，来达到探测磁场的目的。测量方式分为两类，一类是拉莫尔磁强计，通过测量拉莫尔频率来得到磁场信息；一类是在上文实验装置所介绍的SERF磁强计,通过测量光强变化来得到磁场信息。拉莫尔磁强计可以测量50μT的磁场，而SERF测量的磁场要达到nT量级。

拉莫尔磁强计

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极化使原子产生宏观磁矩，磁矩在外磁场下产生力矩，力矩决定了原子的角动量即进动频率。首先利用MFLI产生泵浦光，关闭泵浦光后用MFLI内部振荡器作为解调探测信号的参考信号。我们可以利用MFLI的Plotter选项卡观察探测信号的相位变化，对相位求导即可得到拉莫尔频率与参考频率的差值，再利用拉莫尔频率与磁场强度成正比得到磁场信息。

SERF磁强计

SERF磁强计利用无弛豫自旋理论，通过降低弛豫现象，增强磁强计的灵敏度。首先利用MFLI调制亥姆赫兹线圈到几KHz频率，远离1/F噪声。通过测量随外界磁场变化而导致的光强幅度变化，来得到磁场信息。同时调制线圈的信号可以作为我们的参考信号进行解调。我们需要找到最合适的调制线圈频率，这时候就需要用到MFLI的Sweeper功能，通过扫频找到线性范围好进行电压和磁场的标定。利用PID模块控制三轴线圈也可以实现主动的对外界磁场抵消。