一种通过级联超表面技术实现微型化的原子磁力计

《Optics & Laser Technology》：A miniaturized atomic magnetometer enabled by cascaded metasurfaces

磁强计小型化：基于级联超表面的单束椭圆光泵原子磁强计设计验证

　　

沈玉静|轩燕|孙硕|杜鹏程|李进

北京航空航天大学仪器与光电工程学院，中国北京100191

摘要

随着多种应用场景中对便携式磁场检测需求的增加，光泵浦原子磁力计（OPAMs）正迅速朝着更小、更便携的设计方向发展。单光束椭圆偏振架构因其简化的光路而具有固有的紧凑性。然而，传统使用笨重多波片进行偏振转换的实现方式从根本上阻碍了系统的微型化。本研究提出了一种新的芯片级集成OPAM方案，并通过实验验证了其有效性。该方案基于³⁹K原子系统，采用Mx模式和单光束配置。其核心创新在于使用一种偏振无关的级联超表面来替代传统的多组件偏振光学系统，实现了一体化设计。实验表明，在10,000 nT的磁场下，该方案的灵敏度与商用波片基系统相当（在70–90 Hz频段约为8.36pT/Hz^1/2），同时将核心光学模块的体积减少了60%以上，并保持偏振控制精度在3%以内。这项工作成功验证了基于超表面的方法实现微型化、无需手动对准的光泵浦的可行性，为最终实现完全芯片集成的、可现场部署的量子磁力计奠定了关键技术基础。

引言

随着技术进步，磁场检测技术的重要性日益凸显，广泛应用于生物磁场信号检测[1]、深空探索[2]、基础物理研究[[2], [3], [4]]以及国家安全[5]等领域。测量弱磁场的主要传感器是磁力计，根据测量原理可分为多种类型，包括磁通门磁力计、超导量子干涉装置（SQUID）磁力计和OPAMs。磁通门磁力计分辨率高但精度较低[6]；SQUID磁力计灵敏度高，但需要液氮低温环境[7]。相比之下，光泵浦原子磁力计利用外部弱磁场诱导的塞曼效应，具有高灵敏度、零漂移且无需低温冷却的特点，因此在地质勘探[8]和考古文物搜索[9]等应用中具有重要意义。

为了满足便携性和多用途需求，必须开发高灵敏度、紧凑型甚至芯片级的OPAMs。根据光学配置，OPAMs可分为单光束和双光束类型。与双光束设计[10], [11]不同，单光束配置利用单束椭圆偏振光同时完成光泵浦和探测功能[12]，从而简化了结构。因此，在光学紧凑性和高灵敏度的要求下，椭圆偏振单光束OPAMs在微型化和集成方面具有更大的潜力。然而，在传统的单光束OPAMs中，用于入射光偏振转换的光学元件（如线偏振器（LP）和四分之一波片（QWP）通常体积较大，需要繁琐的对准过程。如图1(a)所示，这影响了系统的紧凑性，严重阻碍了设备微型化。

近年来，集成微纳器件已成为OPAMs微型化的关键研究方向。例如超表面偏振分束器[[13], [14], [15]]、超表面相位移相器[16], [17]、集成偏振分束光栅耦合器[10]、光子自旋分离器（PSS）[18], [19]和液晶调制器[20]等[21]。然而，这些系统仍然使用传统的笨重波片组件进行入射光的偏振转换，降低了系统的紧凑性。与其它微纳结构相比，超表面自2011年以来成为一类具有亚波长尺度特性的人工材料，能够实现光场的任意偏振、相位和幅度控制[22], [23], [24], [25], [26], [27]。2024年，叶亮等人[28], [29]提出了一种超表面偏振转换器的设计，并基于此展示了适用于极弱磁场检测的微型化自旋交换弛豫自由（SERF）磁力计的工作原理。这项工作验证了将超表面作为原子磁力计微型化核心组件的可行性。然而，他们方案的工作波长（795 nm）针对铷原子系统，应用场景局限于极弱磁场环境。相比之下，本研究致力于解决地磁场环境中的芯片集成挑战，探索基于钾（K）原子770 nm（D1线）跃迁的Mx模式OPAM方案。

本研究设计了一种创新的偏振光学器件：一种基于传播相位设计的透射式、一体化、级联超表面。该器件将金属光栅与QWP超原子结构集成到一个整体中。其核心工作原理是利用偏振转换过程中传播相位与入射光偏振状态无关的特性[30]，从而无需任何预调整即可将任意偏振状态的入射光转换为恒定、精确的偏振输出。与传统依赖离散波片（需要手动调整线偏振器快轴与QWP之间的相对角度）的方案相比，该器件实现了两个重大突破：首先，高度集成，显著减少了OPAM系统光学模块的体积和复杂性；其次，实现了高精度、无需对准的偏振控制，确保了系统偏振状态的长期稳定性。这一特性对于基于³⁹K的Mx模式单光束OPAM系统在复杂环境（如地磁场）中的稳定运行至关重要。本研究验证了该器件可以直接替代传统的级联波片结构，为实际应用集成提供了关键的设计支持，并为最终实现紧凑型、芯片级OPAMs奠定了坚实的基础。

节选内容

椭圆单光束OPAM的工作原理

OPAMs的常见信号检测方法包括光吸收和差分检测。差分检测方法在光吸收方法的基础上，通过设计具有相同共模噪声但不同信号响应的两个或多个通道来实现。这些通道的信号通过差分放大进行处理，从而减少共模噪声，提高系统的信噪比和稳定性[31]。

本研究采用了差分检测方法

结果与讨论

图2展示了级联超表面偏振转换器的设计过程。如图2(a)所示，所提出的级联超表面由两个垂直堆叠的超表面组成，具有不同的功能。为了实现上述偏振转换，通过在SiO₂基底的相反表面上蚀刻周期性排列的纳米结构来制造该器件。基底厚度需要远大于工作波长

结论

总结来说，我们提出了一种以一体化级联超表面为中心的微型化单光束OPAM架构，旨在实现根本性的尺寸减小和系统集成。首先通过理论推导揭示了单光束椭圆泵浦原子磁力计的物理原理。随后，设计、仿真并实验验证了级联超表面偏振转换器。最后进行了参数优化和对比实验验证

有限差分时域（FDTD）仿真

所提出的架构使用Ansys Lumerical 2020 R2（Ansys Inc., Vancouver, BC, Canada）软件中的有限差分时域（FDTD）方法进行了仿真。在光传播方向上应用了完美匹配层（PML）边界条件以消除虚假反射。由于金属光栅和QWP超表面都具有周期性，因此在x和y方向上实施了周期性边界条件以减少计算量。

CRediT作者贡献声明

沈玉静：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据管理。轩燕：软件、项目管理、数据管理。孙硕：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、数据管理。杜鹏程：验证、监督、资源管理、方法论。李进：撰写——审阅与编辑、验证、资源管理、资金获取、概念构思。

资助

本研究部分得到了浙江省科技计划（“建宾和岭岩”项目[项目编号2024C01099]、国家自然科学基金[项目编号42388101]、北京市自然科学基金-非共识创新项目[项目编号F251046]以及国家优秀青年科学家基金计划[项目编号KZ37124001]的支持。李进感谢合肥国家实验室的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。