基于磁场信号的核磁共振磁力计泵浦激光稳频方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：The pump laser frequency stabilization method based on magnetic field signal in NMR magnetometer

本文提出了一种创新的泵浦激光稳频技术，针对采用反射式泵浦结构的核磁共振（NMR）磁力计，通过分析磁场信号的一阶导数零点实现频率锁定。该方法摆脱了对传统透射光功率监测的依赖（DAVLL），在2小时连续运行中实现了18.8 MHz的稳定度（1σ: ±3.0 MHz），为反射式光学泵浦原子传感器提供了关键技术突破。

　　

亮点

核磁共振磁力计的基本原理

核磁共振磁力计通过测量铷（Rb）磁矩来获取磁场信号。Rb磁矩的布洛赫方程如式(1)所示：

dM₊/dt = iM_zγB₊ ? M₊/τ ? iγB_zM₊

其中 M₊ = M_x + iM_y 代表横向平面内的Rb磁矩；M_z 是z轴方向的磁矩；B₊ = B_x + iB_y 为横向磁场；γ 是旋磁比；B_z = B_Rb + B_ccosω_ct 表示z轴磁场，且满足 γB_Rb + ω_c = 0；τ 是Rb自旋弛豫时间。

通过求解该方程，可获得磁场的振幅和相位信息。

实验装置

核磁共振磁力计的核心结构如图2所示。3 mm立方体碱金属气室内含有一滴Rb、5 Torr ¹²⁹Xe、25 Torr ¹³¹Xe、10 Torr H₂ 以及260 Torr N₂。系统采用沿z轴传播的圆偏振泵浦激光对Rb原子进行光学极化。正交方向上，一束沿x轴传播的线性偏振探测激光（具有频率失谐）通过平衡偏振测量检测横向Rb磁矩。

结果与讨论

基于理论分析，我们测量了参考磁场信号振幅A及其一阶导数信号dA/dν随泵浦激光频率ν失谐的变化关系。通过x轴线圈施加振幅28.2 nT、频率90 Hz的参考信号。为分析频率响应特性，泵浦激光频率以ω=2π×31500 rad/s的速率进行电流调制，峰峰值偏差a=50 MHz。导数信号通过解调技术提取。

结论

本文系统分析了泵浦激光频率失谐对磁场信号振幅的影响，提出了一种利用磁场信号一阶导数零点实现泵浦激光稳频的创新方法。

首先通过理论分析揭示了磁场信号振幅与泵浦激光频率的确定性关联，发现一阶导数存在清晰的过零特征点，该点对应最大信号振幅且具有抗干扰特性，成为理想的稳频参考点。