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MFLI低噪聲鎖相放大器在光泵浦磁強計領域的應用

2024-05-13694次

中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授團隊在極弱磁場量子精密測量領域取得重要進展，首次利用暗態自旋實現極弱磁場的量子放大，磁場放大倍數突破5000倍，單次磁場測量精度達到0.1fT水平。

一、應用簡介

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，其靈敏度達到 fT/√Hz 狀態。OPM是基于磁場中的堿原子自旋態的進動。進動的頻率，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的磁場（~50μT），因此通常用于勘探任務。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已經展示了創紀錄的靈敏度，使其成為各種應用的理想選擇——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。

我們通過檢測線性偏振探測光束的法拉第旋轉來測量測量這種自旋的進動。法拉第旋轉導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。蘇黎世儀器MFLI鎖相放大器可用于驅動探測光（或泵浦光）的調制器（開關），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確定；例如，銣原子的自旋以約7kHz/μT進動。對于使用MFLI鎖相放大器的拉莫爾測量，泵浦光首先由MFLI的觸發輸出開啟。

在氣體被極化后，關閉泵浦光之后，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這個信號。所解調出的相位可以用LabOne軟件中的Plotter工具進行數據采集和繪制，可以看到其隨時間線性演變；計算相位對時間的一階導數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的典型探測時間內測量微小旋轉。為了克服電子器件的1/f噪聲，可以對探測光以幾kHz進行調制，MFLI的AUX Input 接入調制信號的同步信號，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成正比，該法拉第旋轉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鎖相放大器的優勢

Sweeper參數掃描儀、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定的參考時鐘，以及DAQ模塊可以實現相位演變實時讀出，并可以進行擬合。

系統的可擴展性：LabOne軟件提供多設備同步（MDS）功能，可以從OPM單元陣列中同步獲取數據。

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鎖相環或MD多解調器選件，高級的操作方案，比如反饋控制，磁場參數調控，其它參數調控等，只需點擊幾下即可實現。

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