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一、研究背景

 小型化SERF原子磁強(qiáng)計(jì)（AM）采用具有圓偏振分量的泵浦光來(lái)極化堿金屬原子，極化后的原子系綜在磁場(chǎng)作用下進(jìn)動(dòng)。通常原子自旋進(jìn)動(dòng)的讀出可以通過(guò)施加輔助調(diào)制磁場(chǎng)或使用全光檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，調(diào)制磁場(chǎng)會(huì)引入額外的自旋交換弛豫，導(dǎo)致靈敏度損失，引起的相鄰傳感器之間的串?dāng)_。

相比之下，全光方法避免了小型化 SERF AM 中的串?dāng)_，為構(gòu)建高靈敏度陣列 AM 系統(tǒng)提供了一種有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

典型的全光檢測(cè)構(gòu)型：（a）圓偏振光極化原子。（b）穩(wěn)態(tài)的線偏振光利用法拉第旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)。

二、研究?jī)?nèi)容

01：解決的問題

常用的小型化 SERF AM 全光檢測(cè)配置中，法拉第旋轉(zhuǎn)角是直接測(cè)量的而無(wú)需調(diào)制，因此，受限于電噪聲、光參數(shù)漂移和環(huán)境振動(dòng)等因素引起的 1/f 技術(shù)噪聲，低頻靈敏度難以提升。

現(xiàn)有的主流解決方案包括對(duì)檢測(cè)光偏振方向[1]和光功率的調(diào)制，前者通常涉及使用空間光相位調(diào)制器，難以集成到小型化的 SERF AM 中，后者在測(cè)量過(guò)程中法拉第旋轉(zhuǎn)角信號(hào)被分解成直流 (DC) 和交流 (AC) 分量，直流分量會(huì)被濾除，這會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度并限制靈敏度。

因此，由于緊湊尺寸和便攜性的限制，現(xiàn)有的用于法拉第旋轉(zhuǎn)角的調(diào)制方式難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊湊性和高靈敏。

02：提出的方法

在本研究中，提出了一種用于小型化SERF AM的全光法拉第旋轉(zhuǎn)調(diào)制 (FRM) 方案，通過(guò)結(jié)合緊湊的光纖光開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，而無(wú)需改變探頭的原有結(jié)構(gòu)。所提方案中，檢測(cè)光的頻率周期性地在相對(duì)于堿金屬原子共振頻率的相等紅光和藍(lán)光失諧之間交替。從而使得法拉第旋光角圍繞初始偏振面在順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)之間切換，在法拉第旋光角產(chǎn)生過(guò)程中直接調(diào)制為高頻信號(hào)。

三種全光檢測(cè)構(gòu)型下的工作模式：（a）傳統(tǒng)DC模式。（b）通過(guò)光功率調(diào)制信號(hào)幅值（SAM）模式。（c）FRM模式。

創(chuàng)新性地將在光通信中廣泛應(yīng)用的光纖光開關(guān)集成到SERF AM中，實(shí)現(xiàn)了FRM模式的緊湊化。在外部電壓脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，從輸出1輸出的激光頻率在紅光和藍(lán)光失諧之間快速交替，AM和光開關(guān)的全光纖化設(shè)計(jì)使得低成本、高靈敏度的光纖AM陣列的開發(fā)成為可能。

通過(guò)光纖光開關(guān)實(shí)現(xiàn)FRM模式的示意圖。

03：實(shí)現(xiàn)的效果

我們的方法使法拉第旋轉(zhuǎn)角圍繞初始偏振軸對(duì)稱振蕩，不涉及直流分量且旋光角大小提升1.4倍。利用鎖相放大技術(shù)有效隔離了低頻噪聲。

FRM模式下響應(yīng)信號(hào)的刻度系數(shù)提升約1.4倍（上）

FRM模式下檢測(cè)光的1/f噪聲被顯著抑制（下）

最后，在3 mm × 3 mm × 3 mm的87Rb氣室中，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在1-10 Hz時(shí)的平均靈敏度為7 fT/Hz1/2，以及在10-100 Hz時(shí)的靈敏度3.5 fT/Hz1/2，達(dá)到同氣室尺寸下的國(guó)際最好靈敏度指標(biāo)。

驗(yàn)證了在1-10 Hz時(shí)的平均靈敏度為7 fT/Hz1/2，

以及在10-100 Hz時(shí)的靈敏度3.5 fT/Hz1/2

論文原文：

研究成果以《All-Optical Faraday-Rotation-Modulated SERF Magnetometer with Enhanced Sensitivity》 為題發(fā)表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》

參考文獻(xiàn)：

[1]   H. B. Dang, A. C. Maloof, and M. V. Romalis, "Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer," Appl. Phys. Lett., vol. 97, no. 15, p. 151110, 2010.

[2]   Yan Y, Zhou C, Liu Z, et al. All-Optical Faraday-Rotation-Modulated SERF Magnetometer with Enhanced Sensitivity[J]. IEEE Trans. Instrum. Meas, vol. 74, p. 1506310, 2025.

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