基于激光与稀土离子自旋相互作用的光纤磁场传感器基础问题与关键技术研究

Magnetometers are critical, fundamental and essential for the magnetic field research of the Earth, having great scientific significance and application value. These years, optical magnetometers based on the interaction between lasers and the spin of alkali atomics have achieved great breakthrough, representing the highest level for magnetic field measurement nowadays. We therefore realized that the interaction between lasers and the spin of rare-earth ions should also have great significance in magnetic field measurement which should be able to be utilized through fiber lasers. The above observations have been supported by experiments in our previous works. With the innovation idea, we propose a novel magnetometer based on orthogonally-polarized dual-frequency fiber lasers, which precisely detects the magnetic field of the Earth through the interaction between lasers and the spin of rare-earth ions. The project will carry out the research by focusing on the critical problems, such as the quantum electronics mechanism for orthogonally-polarized dual-frequency fiber lasers to sense magnetic field, the quantum electrodynamics of noise and denoising, the whole-optic control of the sensors and its implementations. The project will finally realize an agile fiber-laser sensor for precisely measurement of vector magnetic field of the Earth with quick response and fine spatial resolution in low cost and low power consumption. Meanwhile, the project will also set up a set of sophisticated theoretical model and research method for the interaction among magnetic field, lasers, and the rare-earth ions in fiber, which will show significant scientific implications and research value.

磁力仪是地磁场研究的必备关键基础设备，具有重要科学意义和应用价值。近年来，基于激光和碱金属气体原子自旋相互作用的光学磁力仪获得了重大突破，代表了当前磁场测量的最高水平。我们敏锐的认识到，激光和稀土离子自旋之间的相互作用对于磁场测量也有着重要意义，并且有望通过光纤激光器来利用这些效应。这在我们前期工作中得到了实验结果的有力支持。项目基于这一创新观点，提出了正交双频光纤激光磁场传感器，利用激光与稀土离子自旋相互作用的机制来实现高精度的地磁探测。项目将围绕正交双频光纤激光器对磁场敏感的量子电子学敏感机理、噪声的量子电动力学机制与降噪、传感器全光调控与实现等几个关键问题开展研究，实现一种具有快速响应和高空间分辨能力、低功耗低成本、轻巧灵便的高精度光纤激光矢量地磁传感器，同时对光纤中磁场、激光和稀土离子自旋之间的相互作用机制建立起一个完善的理论模型和研究方法，具有重要的科学意义和研究价值。

本项目执行期为2015年1月至2018年12月，资助经费90万元，计划围绕正交双频光纤激光器对磁场敏感的敏感机理、噪声来源及其机制与降噪、传感器调控与实现等几个关键问题开展研究。项目在敏感机理方面，分别研究了基于法拉第效应、安培力、磁致伸缩、激光泵浦抽运、磁场梯度力等方法的敏感机理与增敏研究，最终明确了基于磁场梯度力和磁力共振的方案具有最高的磁场探测灵敏度，初步的实验实现了12.8 pT/Hz的响应度，远远超越目前绝大多数光纤磁场传感器的水平。在拍频信号噪声机理与抑制方面，系统分析了激光腔结构参数、泵浦光能量及偏振态扰动、光纤端面反射等多个因素对激光器输出拍频信号的频率调谐与噪声贡献等现象的机理。我们发现，从激光拍频频率稳定性而言，1480 nm的泵浦方案具有最好的性能；在激光器经过退火或者长时间532 nm注入处理后，980 nm的泵浦方案也能表现出较好的频率稳定性。基于对噪声机理的分析，我们针对性地提出了噪声抑制方案，实现了高信噪比输出的拍频信号，噪声抑制可达到近30 dB。在传感器调控与实现方面，设计了基于数字信号处理的方法，分别基于软件数字锁相环和软件数字相位差分法实现了窄带调频和宽带调频信号的全数字解调。基于自行研制的高速宽带调频解调系统，实现了对宽带超声信号的检测，在50MHz带宽内解调精度达到83kHz。项目还进行了拓展研究，开展了基于光纤激光器的超声传感器研究，并将其应用在生物体的光声显微成像，成像帧速率4 Hz，视野面积大于4mm2，横向分辨率3.2微米。对超声传感的研究，将和对磁场传感的研究结合起来，形成新颖的磁力共振型光纤激光磁场传感器，该项研究已经获得基金委后续的资助（61875246）。. 在项目组全体成员的共同努力下，本项目全面完成了研究目标。发表期刊论文17篇，其中SCI收录论文14篇。在OFS、CLEO-PR、APOS等本领域重要国际会议上发表论文6篇。授权发明专利2项。在项目执行期间，结合本项目培养博士研究生1名，硕士研究生8名。