PDF《用于海洋磁测的芯片量子干涉磁力仪》

摇2013 年4月第39 卷第4 期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics April摇2013 Vol.

39摇No郾4摇收稿日期: 2012鄄04鄄23;

网络出版时间: 2013鄄04鄄12 11:32 摇 网络出版地址: www. cnki. net/ kcms/ detail/ 11. 2625. V. 20130412. 1132. 001. html 摇 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(71003057);

山东省自然科学基金资助项目(ZR2010GQ001) 摇 作者简介: 关丽娟(1979-),女,山东聊城人,博士生,qdcc@ sina. com. 用于海洋磁测的芯片量子干涉磁力仪 关丽娟 (中国海洋大学 环境科学与工程学院, 青岛

266100 ) 摇摇康智慧 (吉林大学 物理学院, 长春 130021) 王增斌 (北京航天控制仪器研究所, 北京 100854) 摇摇摘摇 摇摇要: 随着海洋环境探测工作的发展,海域磁测对磁力仪在微小型化、高精度方面 提出了新的需求. 在介绍了几个常见的弱磁场测量仪器后,重点分析了一种基于双光场量子干 涉效应的磁力仪. 根据在磁场中光与原子相互作用的物理机制,阐析了利用量子干涉效应进行 高精度磁场测量的基本原理. 在此基础上,分析了在芯片上实现量子干涉磁力仪的可能性,详 细讨论了芯片量子干涉磁力仪的一种设计方案,并给出了芯片量子干涉磁力仪的性能预期以 及其在海洋磁测领域的应用前景. 关摇 键摇 词: 海洋环境探测;

弱磁场测量;

量子干涉效应;

芯片量子干涉磁力仪 中图分类号: P

299 文献标识码: A摇摇摇摇文章编号: 1001鄄5965(2013)04鄄0535鄄05 Design of chip鄄scale quantum interferometric magnetometer in marine environment Guan Lijuan (College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China, Qingdao 266100, China) Kang Zhihui (College of Physics, Jilin University, Changchun 130021, China) Wang Zengbin (Beijing Aerospace Institute of Control Devices, Beijing 100854, China) Abstract: With the development of the marine environment survey, marine magnetic survey demands magnetometers with micro鄄size, high鄄precision magnetometer. The several common weak magnetic field meas鄄urement instruments were described, and an analysis of a magnetometer based on dual light鄄field quantum in鄄terference effects was focused on. Based on the physical mechanism of the interaction between light and atoms in a magnetic field, the interpretation of the basic principles of quantum interference effects for high鄄precision measurement of magnetic field was given. On this basis, the possibility of realizing a chip鄄scale magnetometer based on quantum interference effects was analyzed. After that, design of a chip鄄scale quantum interference magnetometer was discussed in detail, and the performance expectations and prospects for its application in marine magnetic survey was given. Key words: marine environment survey;

weak magnetic field measurement;

quantum interference effect;

chip quantum interference magnetometer 摇摇海洋磁力仪是指测量海洋磁场强度的磁力 仪,主要应用于海洋环境探测中的高精度磁测量. 近年来,海洋地磁测量逐步向 0.

1 ~ 0.

001 nT 甚 至更高精度拓展,其测试模式也在点、线测量模式 基础上,拓展了局部海域网格测量模式. 海洋磁测 的新需求向海洋磁力仪提出了数字化、模块化、小 型化和系统集成化等要求,研发高精度、小型化磁 力仪具备重要的意义. 用于海洋磁测的传统高灵敏度磁力仪主要包 括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪以 及超导量子干涉磁力仪. 磁通门磁力仪通过在交变磁场饱和激励下的 高导磁铁芯的磁感应强度与磁场强度的非线性关 系来测量弱磁场[1-5] . 其探头部分多由在高磁导 率的磁芯上缠绕线圈制做而成,体积和重量较大, 功耗较高,测量精度偏低,测量范围较小[6] . 质子旋进磁力仪则利用质子自旋在外磁场中 的进动效应来实现对外磁场测量,通过检测自旋 进动频率的方法来完成磁场测量[7] . 但其耗电量 大,只能进行低带宽间断测量[8] . 光泵磁力仪是以外磁场对原子产生的塞曼效 应为基础,利用光泵浦作用和磁共振技术来实现 对外磁场的测量[9] . 光泵磁力仪具有较高的灵敏 度和响应频率,还可测量合磁场和磁场分量,并且 可以进行连续测量[10-11] . 但是光泵磁力仪探头的 体积较大,且测量结果存在漂移现象[12] . 超导量子干涉磁力仪是以超导约瑟夫森效应 和磁通量的量子干涉效应为理论基础,敏感外磁 场引起的磁通并将其转化为电压的磁通传感 器[13] . 超导量子干涉磁力仪具备当前磁力仪产品 的最高精度,但其结构复杂、体积庞大,功耗较高 以及必需的低温制冷系统,使其应用受到严重 限制. 上述磁力仪技术具备技术成熟、应用领域广 等特点,在海洋磁测、地质勘探、地磁图绘制、地震 测量等领域具有广泛的应用. 但是,对于诸多应用 的未来发展需求,上述技术手段很难在提供高精 度测量的同时实现微小型化. 探索新手段来满足 多领域磁场测量需求具有重要意义. 与上述技术手段相比,利用双光场量子干涉 效应来测量磁场的量子干涉磁力仪,具有精度高、 体积微小、功耗低、灵敏度高、结构简单和性能稳 定等特点,有望成为解决磁测量技术未来发展难 题的有效手段,引起了国内外科研工作者的广泛 关注. 1摇 量子干涉磁力仪 1. 1摇 简摇 述 量子干涉磁力仪利用极灵敏的双光场干涉信 号来敏感外磁场塞曼效应引起的能级劈裂,进而 精确反演出外磁场的强度与方向. 磁力仪以某种 碱金属原子为敏感介质,通过光泵浦手段,将原子 高效地泵浦到所需原子基态能级上,并保持连续 泵浦光的强度,构建成即所谓的量子干涉 暗态冶 之后,通过探测对另一束弱探测光的吸收情况,确 定量子干涉效应吸收线的位移,确定基态能级的 劈裂情况,反演出外加磁场的信息[14] . 量子干涉磁力仪利用了双光场量子干涉效 应,因此灵敏度极高,其理论精度可达 pT ~ fT,与 超导量子干涉磁力仪相比同样具有超高测量精度 的技术潜力. 同时,基于双光场量子干涉效应的磁 力仪的敏感介质仅需 mm 甚至 滋m 尺度,其光学 系统均可采用集成光电器件实现,因此还具备微 小型化技术优势. 1. 2摇 双光场量子干涉效应 双光场量子干涉效应是原子介质引起的光场 相干现象,最早文献[14]于1976 年观察到. 双光 场量子干涉效应的系统主要由双基态、单激发态 原子和两束近共振激光组成. 当双光场与三能级 原子相互作用时,对应的两个原子跃迁 |1业-|2业, |1业-|3业 之间将产生量子干涉效应. 当两个激光 场的频率差与原子基态能级的劈裂间距相同时, 这两个跃迁的发生的复几率完全抵消,原子将以 特定复概率分布在原子 | 2业, | 3业 两个基态上,即 便有两束激光场存在,原子也不会被泵浦到激发 态|1业上,此态成为量子干涉 暗态冶. 如果整个过 程为绝热过程,则原子没有自发辐射,此效应可引 发基态原子的相干分布,称为相干粒子数捕获. 此 时若观察第