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MFLI低噪声锁相放大器在光泵浦磁强计领域的应用

2024-05-13442次

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授团队在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展，首次利用暗态自旋实现极弱磁场的量子放大，磁场放大倍数突破5000倍，单次磁场测量精度达到0.1fT水平。

一、应用简介

光泵浦磁强计（OPN），也称为原子磁强计，是探测非常弱磁场的最灵敏的工具之一，其灵敏度达到 fT/√Hz 状态。OPM是基于磁场中的碱原子自旋态的进动。进动的频率，即拉莫尔频率，与磁场强度成正比。因此，可以通过测量拉莫尔频率或自旋方向的相应变化来确定场强。

不同类型的原子磁强计适用于不同的场强范围。例如，拉莫尔磁强计可以测量与地球磁场相当的磁场（~50μT），因此通常用于勘探任务。对于低于10nT的超低磁场，在无自旋交换弛豫（SERF）机制下工作的，OPM已经展示了创纪录的灵敏度，使其成为各种应用的理想选择——从人类大脑脑机接口的探索到类轴子暗物质的研究。

二、测量策略

无论具体配置如何，OPM都遵循相同的基本原理。图1和图2展示了核心部件，其中含有碱原子蒸汽的玻璃气室，用作传感。极化后，这些原子的自旋在待探测的磁场中进动。为了使碱原子蒸汽极化，特定频率的圆偏振泵浦光促使原子处于相同自旋方向的相同状态。

我们通过检测线性偏振探测光束的法拉第旋转来测量测量这种自旋的进动。法拉第旋转导致探测光的偏振轴与自旋在探测光束轴上的投影成比例地旋转。苏黎世仪器MFLI锁相放大器可用于驱动探测光（或泵浦光）的调制器（开关），同时可以有效地获取光电探测器的信号。

① 拉莫尔磁强计

拉莫尔磁强计的原理是通过测量自旋进动的拉莫尔频率来测量任意强度的磁场。拉莫尔频率与磁场强度和特定原子的旋磁比成正比，旋磁比可以由基本常数确定；例如，铷原子的自旋以约7kHz/μT进动。对于使用MFLI锁相放大器的拉莫尔测量，泵浦光首先由MFLI的触发输出开启。

在气体被极化后，关闭泵浦光之后，使用仪器的电压输入来测量来自光电探测器的信号。为了确定该信号的频率，即拉莫尔频率，可以让MFLI以一个固定的参考频率解调这个信号。所解调出的相位可以用LabOne软件中的Plotter工具进行数据采集和绘制，可以看到其随时间线性演变；计算相位对时间的一阶导数即可得到拉莫尔频率和参考频率之间的差值。

图1：拉莫尔磁强计

② SERF 磁强计

SERF磁强计只能用于测量小于~10nT的磁场，从可以测量pT量级的磁场强度变化，对应于几mHz的拉莫尔频率。SERF不是直接测量拉莫尔频率，而是在大约10ms的典型探测时间内测量微小旋转。为了克服电子器件的1/f噪声，可以对探测光以几kHz进行调制，MFLI的AUX Input 接入调制信号的同步信号，从而获得参考频率。

输入端接入光电探测器的信号，以参考频率对其进行锁相测量。这样测到的振幅或（和）相位与探测光的法拉第旋转成正比，该法拉第旋转本身随着磁场的增加而线性增加。为了建立锁相信号和磁场之间的比例并识别线性范围，可以使用MFLI的低噪声输出控制一组亥姆霍兹线圈来扫描磁场。此过程可以在LabOne的Sweeper参数扫描仪工具中完成。此外，通过利用MFLI的PID反馈控制器功能，可以向线圈施加反馈以将背景磁场保持在零附近。

图2：SERF 磁强计

三、选择MFLI锁相放大器的优势

Sweeper参数扫描仪、Spectrum Analyzer频谱分析仪和Plotter绘图仪工具可以帮助直接在线调整补偿补偿磁场、检测带宽和灵敏度。

拉莫尔磁强计得益于低噪声输入和稳定的参考时钟，以及DAQ模块可以实现相位演变实时读出，并可以进行拟合。

系统的可扩展性：LabOne软件提供多设备同步（MDS）功能，可以从OPM单元阵列中同步获取数据。

MFLI可以使用电池供电，这样可以减少来自电源线的干扰。

得益于PID反馈控制器、PLL锁相环或MD多解调器选件，高级的操作方案，比如反馈控制，磁场参数调控，其它参数调控等，只需点击几下即可实现。

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