相關(guān)產(chǎn)品：HF2LI，MFLI 

背景介紹

在我們生活的環(huán)境里電磁波無(wú)處不在，而磁場(chǎng)似乎總是讓人覺(jué)得與我們的生活并不息息相關(guān)。但是作為一種物理場(chǎng)，和光場(chǎng)，電場(chǎng)一樣可以充當(dāng)我們傳遞信息，能量的媒介。但是由于人類(lèi)沒(méi)有直接感應(yīng)磁場(chǎng)的感官，所以需要我們借助科研儀器，去探測(cè)這個(gè)神秘的磁場(chǎng)。

我們按照磁場(chǎng)強(qiáng)度，將磁場(chǎng)分為強(qiáng)磁和弱磁。目前探測(cè)弱磁場(chǎng)的設(shè)備大致有磁通門(mén)磁力儀，光纖磁場(chǎng)傳感器，磁阻傳感器，超導(dǎo)量子干涉磁力儀（SQUID），和本篇要介紹的光泵浦磁強(qiáng)計(jì)。

超導(dǎo)量子干涉磁力儀作為和光泵浦磁強(qiáng)計(jì)對(duì)比的弱磁探測(cè)設(shè)備，其工作原理是磁場(chǎng)改變，約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電子會(huì)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致電學(xué)信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)電學(xué)信號(hào)來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)的變化。這種設(shè)備已經(jīng)在腦電波成像等領(lǐng)域發(fā)揮了作用，但是由于其價(jià)格昂貴，體積巨大，一直沒(méi)有辦法大規(guī)模生產(chǎn)。

光泵浦磁強(qiáng)計(jì)作為新型探測(cè)極弱磁場(chǎng)的設(shè)備，隨著無(wú)自旋弛豫理論的提出，其理論探測(cè)磁場(chǎng)的靈敏度已經(jīng)達(dá)到fT/Hz量級(jí)，由于其設(shè)備造價(jià)比起SQUID便宜，體積也小。已經(jīng)在市場(chǎng)上逐漸代替了SQUID，并且可以安裝在汽車(chē)，飛機(jī)，輪船，火箭上，為大范圍，多場(chǎng)景的磁場(chǎng)探測(cè)提供了有利條件。

在地質(zhì)學(xué)方面，磁場(chǎng)可以用來(lái)檢測(cè)地震活動(dòng)，地殼運(yùn)動(dòng)，礦產(chǎn)分布等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，而光泵浦磁強(qiáng)計(jì)由于體積小，可以很方便的布置在任何場(chǎng)景中。在海洋探測(cè)方面，光泵浦磁強(qiáng)計(jì)可以探測(cè)過(guò)去戰(zhàn)爭(zhēng)遺留下來(lái)的魚(yú)雷，沉船，也可以探測(cè)海底的油田分布。在深空探測(cè)方面，光泵浦磁強(qiáng)計(jì)可以裝載在火箭里，用來(lái)探測(cè)來(lái)自深遠(yuǎn)宇宙空間中的磁場(chǎng)信息，研究神秘的暗物質(zhì)和行星。此外最引人注目的應(yīng)用還是生物領(lǐng)域中的腦磁圖成像，我們知道人的神經(jīng)活動(dòng)是一種電信號(hào)，在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)變化，我們將傳感器貼在人的大腦的不同功能區(qū)，檢測(cè)其磁場(chǎng)變化，就能還原出我們大腦活動(dòng)的模式。目前已有研究腦電圖成像的公司利用光泵浦磁強(qiáng)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)腦磁圖成像。

SERF光泵浦磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置介紹

我們知道高度極化的原子對(duì)外界磁場(chǎng)極為敏感，外界磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，極化程度也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光經(jīng)過(guò)該原子蒸氣室時(shí)強(qiáng)度發(fā)生變化。SERF光泵原子磁力儀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括光路結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)、被動(dòng)式磁屏蔽結(jié)構(gòu)、鎖相放大及信號(hào)處理模塊。其中，1550 nm、795 nm 分別表示1550 nm、795 nm激光器，S是50:50分束鏡，R是反射鏡，P是起偏器， QWP是四分之一波片，A是原子氣室，H1和H2分別表示兩對(duì)亥姆霍茲線圈，PD 為光電探測(cè)器，TIA是跨組放大器，DAQ為數(shù)據(jù)采集及處理。根據(jù)無(wú)自旋弛豫理論，需要零磁場(chǎng)環(huán)境降低拉莫爾頻率的不確定度，利用三軸線圈和屏蔽桶遮擋外界磁場(chǎng)。同時(shí)要利用不與氣體室里的原子發(fā)生反應(yīng)的激光加熱氣體室，圖中為1550nm的激光，使活躍的堿性氣體原子體密度增多。利用795nm的圓偏振激光，泵浦和腔內(nèi)原子發(fā)生作用，將光子角動(dòng)量傳遞給堿性金屬的電子，使原子的磁矩取向一致，使堿性原子高度極化。同時(shí)795nm波長(zhǎng)的光也起到探測(cè)光的作用，外界磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致極化發(fā)生變化，而極化會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光的強(qiáng)度變化，通過(guò)光電探測(cè)器，檢測(cè)光強(qiáng)度的變化，就能知道磁場(chǎng)的變化。鎖相在這里起到調(diào)制亥姆赫茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的頻率，和接受光電信號(hào)的作用。

光電探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流信號(hào)，該光電流信號(hào)十分微弱因此需要對(duì)其進(jìn)行放大，選取前置跨組放大器（Trans-impedance amplifier，TIA）將微弱光電流信號(hào)放大為電壓信號(hào)后送入鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)，為了滿(mǎn)足雙通道測(cè)量需求，選擇蘇黎世儀器生產(chǎn)的雙通道低噪聲跨組放大器（Zurich Instrument，HF2TA），其電流放大增益可在100~100M之間調(diào)節(jié)，可以與鎖相放大器協(xié)同工作，實(shí)物圖如下。

鎖相檢測(cè)是磁力儀的核心模塊之一，通過(guò)檢測(cè)光吸收效應(yīng)也可以探測(cè)磁場(chǎng)。但是信號(hào)受到低頻噪聲干擾較大并且沒(méi)有線型區(qū)域用于標(biāo)定磁力儀性能，直接探測(cè)磁場(chǎng)性能較差，鎖相檢測(cè)可以解決這些問(wèn)題，通過(guò)將信號(hào)調(diào)制至高頻后進(jìn)行同頻率解調(diào)，可以提升系統(tǒng)信噪比。瑞士蘇黎世儀器公司生產(chǎn)雙通道高精度鎖相放大器（Zurich Instrument，HF2LI），實(shí)物如下圖，其自帶的雙通道調(diào)制和雙通道鎖相檢測(cè)單元能夠很好地滿(mǎn)足基于雙氣室結(jié)構(gòu)的高靈敏度磁力儀需求。

由于此類(lèi)實(shí)驗(yàn)注重信噪比，我們可以利用雙氣室的共模信號(hào)，利用蘇黎世鎖相的差分輸入減小輸入噪聲。并且在我們確定光強(qiáng)對(duì)磁場(chǎng)變化的靈敏度時(shí)需要用到掃描去控制亥姆赫茲線圈磁場(chǎng)的變化。而蘇黎世鎖相自帶的掃描模塊，可以很方便的幫助我們完成這項(xiàng)工作，免去額外復(fù)雜的掃描控制裝置。HF2的雙調(diào)制和雙輸出可以讓我們同時(shí)控制兩對(duì)線圈，對(duì)于雙氣室的光泵浦磁強(qiáng)計(jì)也是適配的。

另外也可以利用蘇黎世的另一款產(chǎn)品MFLI進(jìn)行光泵浦磁強(qiáng)計(jì)的研究。不管使用哪一款產(chǎn)品，基本的原則都是利用堿性原子蒸氣作為傳感，通過(guò)檢測(cè)光學(xué)信號(hào)隨極化的變化，來(lái)達(dá)到探測(cè)磁場(chǎng)的目的。測(cè)量方式分為兩類(lèi)，一類(lèi)是拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)，通過(guò)測(cè)量拉莫爾頻率來(lái)得到磁場(chǎng)信息；一類(lèi)是在上文實(shí)驗(yàn)裝置所介紹的SERF磁強(qiáng)計(jì),通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)變化來(lái)得到磁場(chǎng)信息。拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)可以測(cè)量50μT的磁場(chǎng)，而SERF測(cè)量的磁場(chǎng)要達(dá)到nT量級(jí)。

拉莫爾磁強(qiáng)計(jì)

極化使原子產(chǎn)生宏觀磁矩，磁矩在外磁場(chǎng)下產(chǎn)生力矩，力矩決定了原子的角動(dòng)量即進(jìn)動(dòng)頻率。首先利用MFLI產(chǎn)生泵浦光，關(guān)閉泵浦光后用MFLI內(nèi)部振蕩器作為解調(diào)探測(cè)信號(hào)的參考信號(hào)。我們可以利用MFLI的Plotter選項(xiàng)卡觀察探測(cè)信號(hào)的相位變化，對(duì)相位求導(dǎo)即可得到拉莫爾頻率與參考頻率的差值，再利用拉莫爾頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比得到磁場(chǎng)信息。

SERF磁強(qiáng)計(jì)

SERF磁強(qiáng)計(jì)利用無(wú)弛豫自旋理論，通過(guò)降低弛豫現(xiàn)象，增強(qiáng)磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度。首先利用MFLI調(diào)制亥姆赫茲線圈到幾KHz頻率，遠(yuǎn)離1/F噪聲。通過(guò)測(cè)量隨外界磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致的光強(qiáng)幅度變化，來(lái)得到磁場(chǎng)信息。同時(shí)調(diào)制線圈的信號(hào)可以作為我們的參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。我們需要找到最合適的調(diào)制線圈頻率，這時(shí)候就需要用到MFLI的Sweeper功能，通過(guò)掃頻找到線性范圍好進(jìn)行電壓和磁場(chǎng)的標(biāo)定。利用PID模塊控制三軸線圈也可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的對(duì)外界磁場(chǎng)抵消。

• 2路DC - 50 MHz 14-bit 電壓輸入

• 自帶的優(yōu)秀Labone控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)PID，PLL控制和掃描設(shè)置。(需要PID選件)

• 適配的HF2TA電流前置放大器

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入

• 高達(dá)4路PID和PLL鎖相環(huán) (需要MF-PID選件)

• 短時(shí)間常數(shù)：337ns到83s

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序