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OPM光泵浦磁強計

簡介：

OPM作為當今世界上最靈敏的弱磁探測設備之一，因為其體積小，造價便宜在市場上逐步替代了SQUID即超導弱磁探測裝置。其基本原理是利用高度極化的堿性原子蒸氣對于磁場的高度敏感，來實現對于磁場的探測。鎖相在此類實驗中可以起到調制亥姆赫茲線圈，探測光電信號等作用。

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應用說明鎖相測量策略相關產品優勢相關推薦產品

應用說明

相關產品：HF2LI，MFLI

背景介紹

在我們生活的環境里電磁波無處不在，而磁場似乎總是讓人覺得與我們的生活并不息息相關。但是作為一種物理場，和光場，電場一樣可以充當我們傳遞信息，能量的媒介。但是由于人類沒有直接感應磁場的感官，所以需要我們借助科研儀器，去探測這個神秘的磁場。

我們按照磁場強度，將磁場分為強磁和弱磁。目前探測弱磁場的設備大致有磁通門磁力儀，光纖磁場傳感器，磁阻傳感器，超導量子干涉磁力儀（SQUID），和本篇要介紹的光泵浦磁強計。

超導量子干涉磁力儀作為和光泵浦磁強計對比的弱磁探測設備，其工作原理是磁場改變，約瑟夫森結的超導電子會產生隧穿效應，導致電學信號發生變化，通過檢測電學信號來探測磁場的變化。這種設備已經在腦電波成像等領域發揮了作用，但是由于其價格昂貴，體積巨大，一直沒有辦法大規模生產。

光泵浦磁強計作為新型探測極弱磁場的設備，隨著無自旋弛豫理論的提出，其理論探測磁場的靈敏度已經達到fT/Hz量級，由于其設備造價比起SQUID便宜，體積也小。已經在市場上逐漸代替了SQUID，并且可以安裝在汽車，飛機，輪船，火箭上，為大范圍，多場景的磁場探測提供了有利條件。

在地質學方面，磁場可以用來檢測地震活動，地殼運動，礦產分布等相關實驗研究，而光泵浦磁強計由于體積小，可以很方便的布置在任何場景中。在海洋探測方面，光泵浦磁強計可以探測過去戰爭遺留下來的魚雷，沉船，也可以探測海底的油田分布。在深空探測方面，光泵浦磁強計可以裝載在火箭里，用來探測來自深遠宇宙空間中的磁場信息，研究神秘的暗物質和行星。此外最引人注目的應用還是生物領域中的腦磁圖成像，我們知道人的神經活動是一種電信號，在周圍產生磁場變化，我們將傳感器貼在人的大腦的不同功能區，檢測其磁場變化，就能還原出我們大腦活動的模式。目前已有研究腦電圖成像的公司利用光泵浦磁強計來實現腦磁圖成像。

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SERF光泵浦磁強計實驗裝置介紹

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我們知道高度極化的原子對外界磁場極為敏感，外界磁場發生變化時，極化程度也會發生變化，從而導致激光經過該原子蒸氣室時強度發生變化。SERF光泵原子磁力儀實驗平臺的整體結構如圖所示，主要包括光路結構、線圈結構、被動式磁屏蔽結構、鎖相放大及信號處理模塊。其中，1550 nm、795 nm 分別表示1550 nm、795 nm激光器，S是50:50分束鏡，R是反射鏡，P是起偏器， QWP是四分之一波片，A是原子氣室，H1和H2分別表示兩對亥姆霍茲線圈，PD 為光電探測器，TIA是跨組放大器，DAQ為數據采集及處理。根據無自旋弛豫理論，需要零磁場環境降低拉莫爾頻率的不確定度，利用三軸線圈和屏蔽桶遮擋外界磁場。同時要利用不與氣體室里的原子發生反應的激光加熱氣體室，圖中為1550nm的激光，使活躍的堿性氣體原子體密度增多。利用795nm的圓偏振激光，泵浦和腔內原子發生作用，將光子角動量傳遞給堿性金屬的電子，使原子的磁矩取向一致，使堿性原子高度極化。同時795nm波長的光也起到探測光的作用，外界磁場會導致極化發生變化，而極化會導致探測光的強度變化，通過光電探測器，檢測光強度的變化，就能知道磁場的變化。鎖相在這里起到調制亥姆赫茲線圈產生磁場的頻率，和接受光電信號的作用。

鎖相測量策略

光電探測器將光強信號轉化為光電流信號，該光電流信號十分微弱因此需要對其進行放大，選取前置跨組放大器（Trans-impedance amplifier，TIA）將微弱光電流信號放大為電壓信號后送入鎖相放大器進行解調，為了滿足雙通道測量需求，選擇蘇黎世儀器生產的雙通道低噪聲跨組放大器（Zurich Instrument，HF2TA），其電流放大增益可在100~100M之間調節，可以與鎖相放大器協同工作，實物圖如下。

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鎖相檢測是磁力儀的核心模塊之一，通過檢測光吸收效應也可以探測磁場。但是信號受到低頻噪聲干擾較大并且沒有線型區域用于標定磁力儀性能，直接探測磁場性能較差，鎖相檢測可以解決這些問題，通過將信號調制至高頻后進行同頻率解調，可以提升系統信噪比。瑞士蘇黎世儀器公司生產雙通道高精度鎖相放大器（Zurich Instrument，HF2LI），實物如下圖，其自帶的雙通道調制和雙通道鎖相檢測單元能夠很好地滿足基于雙氣室結構的高靈敏度磁力儀需求。

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由于此類實驗注重信噪比，我們可以利用雙氣室的共模信號，利用蘇黎世鎖相的差分輸入減小輸入噪聲。并且在我們確定光強對磁場變化的靈敏度時需要用到掃描去控制亥姆赫茲線圈磁場的變化。而蘇黎世鎖相自帶的掃描模塊，可以很方便的幫助我們完成這項工作，免去額外復雜的掃描控制裝置。HF2的雙調制和雙輸出可以讓我們同時控制兩對線圈，對于雙氣室的光泵浦磁強計也是適配的。

另外也可以利用蘇黎世的另一款產品MFLI進行光泵浦磁強計的研究。不管使用哪一款產品，基本的原則都是利用堿性原子蒸氣作為傳感，通過檢測光學信號隨極化的變化，來達到探測磁場的目的。測量方式分為兩類，一類是拉莫爾磁強計，通過測量拉莫爾頻率來得到磁場信息；一類是在上文實驗裝置所介紹的SERF磁強計,通過測量光強變化來得到磁場信息。拉莫爾磁強計可以測量50μT的磁場，而SERF測量的磁場要達到nT量級。

拉莫爾磁強計

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極化使原子產生宏觀磁矩，磁矩在外磁場下產生力矩，力矩決定了原子的角動量即進動頻率。首先利用MFLI產生泵浦光，關閉泵浦光后用MFLI內部振蕩器作為解調探測信號的參考信號。我們可以利用MFLI的Plotter選項卡觀察探測信號的相位變化，對相位求導即可得到拉莫爾頻率與參考頻率的差值，再利用拉莫爾頻率與磁場強度成正比得到磁場信息。

SERF磁強計

SERF磁強計利用無弛豫自旋理論，通過降低弛豫現象，增強磁強計的靈敏度。首先利用MFLI調制亥姆赫茲線圈到幾KHz頻率，遠離1/F噪聲。通過測量隨外界磁場變化而導致的光強幅度變化，來得到磁場信息。同時調制線圈的信號可以作為我們的參考信號進行解調。我們需要找到最合適的調制線圈頻率，這時候就需要用到MFLI的Sweeper功能，通過掃頻找到線性范圍好進行電壓和磁場的標定。利用PID模塊控制三軸線圈也可以實現主動的對外界磁場抵消。

相關產品優勢

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2路DC - 50 MHz 14-bit 電壓輸入
自帶的優秀Labone控制軟件，可以實現PID，PLL控制和掃描設置。(需要PID選件)
適配的HF2TA電流前置放大器
支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

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DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入
高達4路PID和PLL鎖相環 (需要MF-PID選件)
短時間常數：337ns到83s
支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

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