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具有调强线偏振光和液晶偏振旋转器的无死区4He原子磁强计
我们展示了一个基于原始钟花形结构的全光4He原子磁强计实验方案。利用单一强度调制的线偏振激光束，在4He蒸气中产生自旋极化，并在静态磁场下探测自旋进动。然后在调制频率及其谐波处对从蒸汽中发射的光信号进行相位敏感检测，从而产生原子磁共振信号。基于这种结构，我们在磁强计系统中加入了一个液晶，构成了一个偏振旋转器。通过控制施加在液晶上的电压，光线性偏振矢量可以与环境磁场方向保持垂直，而磁场磁场方向又提供最大共振信号幅度。此外，该系统具有约的磁场噪声地板，该噪声地板不会因液晶的存在和磁场方向的变化而退化。实验结果表明，该方法能消除死区效应，提高系统的空间各向同性，适用于移动应用。
C 2015 AIP出版有限责任公司[http://dx.doi.org/10.1063/1.4932528]
一、 导言
4He中的原子磁共振（AMR）引起了理论界和实验界的广泛关注。其中最突出的应用之一是4He原子磁力仪。第一台氦基磁强计于1960年提出，1961年进行了演示，使用氦灯作为光泵源。采用单模激光作为光源后，性能得到了很大的改善。自那时起，随着1083nm固体、半导体或光纤激光器的发展，激光泵浦4He磁强计已成为机载和空间应用中最敏感的方法之一。
然而，对于基于光学检测AMR的所有磁强计，由于存在死区，它们在移动应用中的使用受到严重限制。在死区内，信号振幅变得不可区分，无法进行磁场测量。这种死区效应在磁强计类型和工作模式之间有很大的差异。目前大多数商用的激光泵浦4He磁强计，仍然依赖于射频场驱动的磁共振，而射频场驱动的磁共振通常在Mx或Mz配置中实现。这些磁光双共振磁强计由于其在静态条件下具有诱人的磁传感性能而被广泛应用。
为了在移动应用中保持系统的灵敏度，降低死区效应，常用的方法是采用多个相同的、特殊定位的小区。因此，在不同的磁场方向下，至少有一个电池能发出相应的信号。这种方法的性能受到射频场串扰效应的限制。另一种方法使用单个单元格。然而，需要一个复杂的控制系统来自动调节光的偏振度和射频场的方向，使它们相对于磁场具有恒定的方向。
作为比较，全光磁强计采用调制光驱动磁共振，与射频驱动磁强计相比，全光磁强计在降低死区效应方面具有不受射频场干扰、信号振幅只受光方向影响等优点。1961年贝尔和布鲁姆首次研究了这种技术。作者用调强光诱导磁共振跃迁。后来，与相敏检测技术相结合，得到了广泛的证明，用光频调制或偏振调制可以实现类似的磁共振。
虽然已经研制出了灵敏的全光原子磁强计，但大多数都是基于碱原子和测量探测光的偏振旋转。4He-AMR调制激光信号的特性已经有了深入的研究。据我们所知，工作中的4He全光磁强计，利用调频线偏振激光对死区效应进行分析，并用两个单元和两个正交偏振光的信号相加来减小死区效应。
与上述死区消除方法相比，本文提出了一种结构简单的无死区全光4He原子磁强计。我们使用一个强度调制的线偏振光束和一个蒸汽池。此外，我们的磁强计系统采用液晶（LC）构成光偏振旋转器。为了消除死区效应，产生一个误差信号来控制施加在LC上的电压。因此，在通过LCG偏振旋转器之后，可以自动调整光线性偏振矢量并保持与磁场垂直，从而提供最大AMR信号幅度。然后，通过旋转磁场方向，研究了我们的磁强计系统的性能，并与不使用偏振旋转器的情况进行了比较，证明了我们方法的有效性。
二。基本设备和原理
实验装置如图1所示，基于传统的钟花形结构。激光束是由分布反馈光纤激光器模块（DFB）产生的，该模块的频率通过偏振光谱系统稳定在4He D0跃迁线（23S1-23P0）上。激光强度I由函数发生器（FG1）驱动的电光调制器（EOM）进行正弦调制。我们的磁传感器由一个45毫米长、30毫米直径的4He原子蒸气电池（在室温下，0.3Torr）组成，由33兆赫兹的射频放电激发，放置在五层微米金属磁屏蔽的中心。由一对亥姆霍兹线圈产生沿y方向的静磁场。磁场设定在10000 nT左右。
对于强调制线偏振光抽运，当光强调制频率nu;M与Larmor频率nu;L及其谐波一致时，可以观察到AMR谱，其中nu;L=gamma;B0，gamma;=28.025Hz/nT是4He 23S1态的回旋磁比，B0是静态磁场。当vM在2vL左右时，观测到的AMR信号的形式为S=SDC SvM S2vM（忽略高次谐波分量），其中，Gamma;是光抽运态的弛豫常数。theta;是光线性偏振矢量与磁场之间的夹角。SDC是AMR信号的直流分量，而Snu;M和S2nu;M是振荡部分，其中同相分量和正交分量具有吸收和色散两种线型。图2示出了从锁定放大器（LA1，苏黎世仪器，HF2LI）以基准频率2nu;M解调的AMR信号，发现与在nu;M解调的信号相比，该信号具有更高的信噪比（SNR）。LA1的增益设为times;10。调整AMR信号和参考信号之间的相对相位，以避免X和Y分量的色散和吸收线型的混合。该激光器的平均功率约为1兆瓦，束腰直径为5毫米1/e2。Y分量的峰-峰频差（线宽）约为6kHz，这是由光功率和磁场不均匀性等因素加宽的。Y分量可用作PID（比例积分微分）电路（PID1）的误差信号，以控制FG1的nu;M等于2nu;L，由此确定磁场大小。
AMR信号也可以在vM=vL下观察到。根据公式（1）-（3），与vM=2vL下振幅在theta;=pi;/2下达到最大的信号相比， vM=vL下的AMR信号在theta;＝pi;/4下达到其最大值。很容易证明，无论静态磁场的方向如何，光的线性极化矢量最终都可以调整为与之垂直（theta;=pi;/2），而theta;=pi;/4不易满足。从这一观点出发，考虑了nu;M＝2nu;L下的AMR信号，因为它提供了用单个激光和单个汽室实现完全不受死区影响的非光学磁强计的可行性。
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图1、实验装置示意图。电光调制器；半波片；PBS，偏振分束器；QW，四分之一波片；LC，液晶；BE，扩束器；FG，函数发生器；LA，锁定放大器；PD，光电二极管；PID，比例积分微分。右图显示了构成光偏振旋转器的三个光学元件的快速轴（红色箭头）。
图2、从锁定放大器（LA1）解调的AMR信号参考频率2nu;M是频率失谐的函数。红线是X分量，黑线是Y分量。调整AMR信号和参考信号之间的相位，以便获得具有纯吸收和色散特性的信号。
三、 液晶光偏振旋转器
我们在磁强计中使用一个电压控制的光偏振旋转器来自动调整光的线性偏振矢量，使其与周围磁场垂直。偏振旋转器的基本结构如图1所示，其包括一个由两个四分之一波片对称环绕的LC缓速器（QWP，在lambda;=1083nm处）。如图所示，三个光学元件的快速轴被定向。
因此，这三个组合光学元件连接输入和输出光场矢量的琼斯矩阵可以写成，表示输入光线性偏振矢量可以顺时针旋转，角度为delta;/2，式中，delta;是LC引起的相位延迟，与施加在LC缓速器上的交流正弦信号（2khz，来自图1中的FG2）的振幅有关。因此，通过控制2khz正弦电压，我们可以调整输出光线性偏振矢量的方向。
输入光线性偏振矢量的旋转角delta;/2与不同正弦信号电压之间的关系如图3（a）所示，该关系是使用实验室光学台测量的。为了获得控制光偏振矢量的良好性能，LC在线性区域（从1v到4v）内工作，由此产生的旋转角范围为6°到190°之间，这足以消除磁强计系统的死区。
图3（b）描绘了经过偏振旋转器后的光线性偏振矢量的波动，并记录了600 s的持续时间，其中显示了约1.5°的峰间波动。正弦信号电压设为1.7vpp。
我们使用LA1的X分量产生一个误差信号，用于控制施加在LC上的正弦信号电压。图4（a）中的黑线表示X分量振幅与施加在LC上的不同正弦信号电压的关系。调制频率v M被调谐为等于2 vL。在使用偏振旋转器之前，将光的线性偏振矢量设置为与静态磁场平行（沿y方向）。因此，无法观察到任何信号。在使用偏振旋转器并扫掠施加在LC上的信号电压之后，因此可以平滑地旋转光线性偏振矢量和静态磁场之间的角theta;，从而改变X分量的振幅，而Y分量为0（图4（a）中未示出）左右，即nu;M＝2nu;L。当外加电压约为1.7v时，根据图3（a），光线性偏振矢量从其初始方向旋转90°并与静态磁场垂直。在这种情况下，X分量的振幅最大，这与之前的分析非常一致。
为了获得最大的信号振幅，光的线性极化矢量相对于周围磁场应保持在90°。这是通过向LC上施加的2khz正弦信号添加一个轻微的幅度调制来实现的，该调制可以写成A0 Adev sin（2pi;fmodt），其中A0是正弦信号的中心幅度。调制频率fmod为13hz，在LC响应频率范围（DC至25Hz）内。调制深度Adev为0.1v。因此，在相同频率下调制光线性偏振矢量，并且在X分量中也可以观察到13hz调制，除非LC施加的电压为X分量提供最大的信号幅度。然后，调制的X分量信号被送入第二个锁定放大器（LA2、苏黎世仪器、HF2LI）。LA2的时间常数设置为0.3秒。来自LA2的解调信号如图4（a）中的红线所示，并且显示出与LC施加电压相对应的过零点，该过零点可以旋转光的线性极化矢量以垂直于磁场。
来自LA2的解调信号用作误差信号，并馈入第二PID电路（PID2）以控制LC施加的电压，从而使光的偏振度相对于磁场保持在90°。为了检查这一点，我们旋转图1所示的HW2并改变光线线性极化矢量与静态磁场之间的方向，方向变化为plusmn;45°。误差信号的相应变化如图4（b）所示。当方向变化时，误差信号振幅变为非零，它可以改变LC的外加电压，直到光的线性极化矢量再次调整为垂直于磁场。达到平衡状态所需的时间约为变化发生后1s，这可以通过使用响应时间更快的LC缓速器来改善。
图3、（a） 室温下应用于LC缓速器上的2kHz正弦信号的峰间电压与光线性偏振矢量的旋转角的函数关系。接近90°旋转角的曲线放大区域描绘了10个测量值的平均值和标准偏差（垂直误差条：sim;plusmn;0.8°）。（b） 光经过偏振旋转器后，在600秒的时间内出现线性偏振涨落。正弦信号电压设为1.7vpp。
图4、（a） 黑线表示X分量振幅与LC外加电压的关系。将调制频率vM调谐为等于2vL。光线性偏振矢量最初设置为与静态磁场平行（沿y方向）。红线表示来自LA2的解调信号，LA2的过零点对应于LC施加的电压，该电压可使光线线性旋转偏振矢量要与磁场垂直。（b）误差信号的变化时，光之间的方位呈线性极化矢量和周围磁场变化为plusmn;45°（ 表示顺时针方向）。利用误差信号控制LC的外加电压，使光的线性极化矢量与周围磁场垂直。
四、 磁强计性能
研究了在偏振旋转器控制与否两种情况下，磁强计AMR信号振幅随偏振方向的变化关系。
通过旋转磁场方向改变相对方向。为了实现这一点，我们沿着x方向增加了一对额外的Helmholtz线圈，其材料、尺寸和匝数与沿着图1所示y方向的线圈相同。产生的磁场振幅与施加在线圈上的电流成线性关系。然后仔细调整电流（Ix和Iy），分别等于Iy=I0 cosbeta;和Ix=I0 sinbeta;。I0是一个恒定电流，可以产生大约10000 nT的磁场。因此，当beta;不同时，两个线圈产生的总磁场的振幅几乎保持不变，而其方向可以从y方向随beta;旋转。
图5中的黑色符号是指在不使用LC偏振旋转器的情况下测得的磁强计信号幅度，并装有sin4theta;函数，见黑线。信号幅度被归一化到最大值。这里，我们取theta;=beta;作为沿y方向的光线性偏振矢量。在theta;=0°和180°附近，信号振幅变得很大，这提供了较差的信噪比和磁场测量性能。这些是磁强计系统的死区。作为比较，除了用LC偏振旋转器控制光的线性偏振矢量外，在相同的条件下进行实验，参见图5中的红色符号。显然，信号幅度保持不变，并保持其最大值随磁场方向的变化。LC施加电压的变化可以完全补偿相对取向的变化，进而保持theta;=90°。这证明反馈系统确实可以消除死区效应，改善系统的空间各向同性。
此外，为了证明我们的系统在振幅和磁场方向都变化的移动应用中
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