非屏蔽超高精度原子磁强计实现方法研究

Atomic magnetometer based on spin-exchange relaxation free (SERF) has achieved a resolution up to sub-femto Tesla. Furthermore, it has no requirement of cryogenic equipment and can be fabricated on small or even chip scale. Unfortunately, it cannot be used directly in the measurement of unshielded field because SERF regime can only be realized under the near-zero-field (i.e. smaller than 1nT). .There are two key difficulties in the realization of unshielded atomic magnetometer. One is that the scale factor along the pumping beam decreases greatly once the magnetic fields are compensated close to zero. The other is that the magnetic noise caused by the current cannot be eliminated because a large current is necessary to compensate the environment fields. In this proposal, two methods are proposed to solve these two difficulties. The research contents include: (1) to enhance the scale factor along pumping beam by studying the coupling mechanism between the lightshift and the spin of SERF atoms, and the control method of the spin; (2) to eliminate current magnetic noise and measure weak magnetic field variation in an unshielded environment by generating symmetry atomic ensemble using the scheme of "double-atomic-vapor-cell single-current"; (3) Integrated experiment of the two methods aforementioned to verify the feasibility of unshielded ultrahigh precision atomic magnetometer..Besides the feasibility verification of unshielded ultrahigh precision atomic magnetometer, the researches will also be helpful in understanding the interaction between lightshift and SERF atoms. And it can also provide more means and methods for the coherent atoms generation and operation.

基于无自旋交换弛豫（SERF）的原子磁强计实现了亚fT量级的超高精度磁场测量，并且不需要致冷、具有小型化和芯片化的潜力。但是SERF态原子磁强计必须工作在零磁场附近（<1nT），因此通常不能直接用于非屏蔽磁场的检测。.本项目针对非屏蔽SERF态原子磁强计实现过程中的两大关键技术障碍，即三轴磁场闭环检测中抽运光方向低灵敏度的问题和非屏蔽大量程下电流波动磁噪声的问题，提出新的解决方法。主要研究内容包括：（1）研究光位移SERF态原子自旋操控方法，提高抽运光方向磁场的灵敏度；（2）研究双原子腔单电流源对称原子系综制备方法，消除电流波动磁噪声，测试微弱的磁场变化；（3）两种方法的集成实验。.上述研究的目的是从理论和实验上验证SERF态超高精度磁场检测在非屏蔽环境下应用的可行性，同时也有助于深入理解光位移与SERF态原子的相互作用机理，为相干原子制备和操控提供更多的手段和方法。

原子磁强计对磁场的测量基于原子自旋特性，其本质上是一种磁共振现象，由于原子具有稳定的旋磁比，因此原子磁测量与其他磁测量方式，如磁通门磁强计、磁阻磁强计相比，具有测量精度上的优势。近些年来，随着无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free, SERF）等原子态的实现，原子磁强计达到甚至超过了几十年来磁探测领域灵敏度最高的超导量子干涉磁强计（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）， 成为了世界上灵敏度最高的磁强计。并且原子自旋磁强计不需要超低温致冷，因此可以大幅缩小装置的体积和成本，甚至实现器件的芯片化制备，能应用于更多的场合。.本项目基于上述研究背景，围绕零场共振SERF原子磁强计需要零场工作环境，且只能测量单方向磁场；大磁场共振Mx原子磁强计只能测量总场大小，无法实现三分量测量的问题，开展非屏蔽环境下高精度原子磁强计的研究，也即大背景磁场下三轴磁场的检测，提出相应的一系列测量方法，包括基于自旋调制的大背景磁场下三轴测量方法、单光束三轴正交调制方法和非屏蔽下脉冲激光抽运方法等。解决了其中的关键技术问题，包括如何提高抽运光方向磁场灵敏度的问题和如何消除补偿磁场中电流波动磁噪声等问题。最后在上述方法成功设计和实验验证的基础上，项目开展了测试系统集成制备方面的探索性研究，设计并加工了真空热隔离光加热原子气室以及三轴集成原子磁测量敏感表头。.本项目研究的重要结果包括：项目提出并实验验证了非屏蔽环境下多种高精度三轴磁测量方法，其中基于自旋调制的大背景磁场下三轴测量方法利用声光调制器对抽运激光进行调制，同时解调被自旋调制后的检测光信号，从而得到三轴的磁场信息，该方法在测量过程中不需要任何外部调制磁场，是一种全光测量方法，在大背景磁场下实现了0.8pT/Hz^1/2的磁场检测灵敏度。短脉冲抽运测量方法实现了20ns的短脉冲原子自旋操控，在地磁环境下实现了原子自旋的短脉冲抽运；单光束非屏蔽三轴正交调制方法解决了单光束三分量磁场测量中对抽运光方向磁场不敏感的问题，同时通过正交相位机制，减少了测试系统中锁相放大器的数量，简化了测试系统的配置。利用该方法成功实现了单光束三轴磁场测量，测量灵敏度达到300fT/Hz^1/2。.项目探索了基于高精度原子磁强计的三分量测量方法，这些方法的提出和实验