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2025-07-09
一、研究背景
小型化SERF原子磁強計（AM）采用具有圓偏振分量的泵浦光來極化堿金屬原子，極化后的原子系綜在磁場作用下進動。通常原子自旋進動的讀出可以通過施加輔助調制磁場或使用全光檢測裝置來實現(xiàn)。
然而，調制磁場會引入額外的自旋交換弛豫，導致靈敏度損失，引起的相鄰傳感器之間的串擾。
相比之下，全光方法避免了小型化 SERF AM 中的串擾，為構建高靈敏度陣列 AM 系統(tǒng)提供了一種有競爭力的解決方案。
典型的全光檢測構型：（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角進行檢測。
二、研究內容
01：解決的問題
常用的小型化 SERF AM 全光檢測配置中，法拉第旋轉角是直接測量的而無需調制，因此，受限于電噪聲、光參數(shù)漂移和環(huán)境振動等因素引起的 1/f 技術噪聲，低頻靈敏度難以提升。
現(xiàn)有的主流解決方案包括對檢測光偏振方向[1]和光功率的調制，前者通常涉及使用空間光相位調制器，難以集成到小型化的 SERF AM 中，后者在測量過程中法拉第旋轉角信號被分解成直流 (DC) 和交流 (AC) 分量，直流分量會被濾除，這會降低信號強度并限制靈敏度。
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角的調制方式難以同時實現(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的全光法拉第旋轉調制 (FRM) 方案，通過結合緊湊的光纖光開關來實現(xiàn)調制，而無需改變探頭的原有結構。所提方案中，檢測光的頻率周期性地在相對于堿金屬原子共振頻率的相等紅光和藍光失諧之間交替。從而使得法拉第旋光角圍繞初始偏振面在順時針、逆時針旋轉之間切換，在法拉第旋光角產生過程中直接調制為高頻信號。
三種全光檢測構型下的工作模式：（a）傳統(tǒng)DC模式。（b）通過光功率調制信號幅值（SAM）模式。（c）FRM模式。
創(chuàng)新性地將在光通信中廣泛應用的光纖光開關集成到SERF AM中，實現(xiàn)了FRM模式的緊湊化。在外部電壓脈沖信號的驅動下，從輸出1輸出的激光頻率在紅光和藍光失諧之間快速交替，AM和光開關的全光纖化設計使得低成本、高靈敏度的光纖AM陣列的開發(fā)成為可能。
通過光纖光開關實現(xiàn)FRM模式的示意圖。
03：實現(xiàn)的效果
我們的方法使法拉第旋轉角圍繞初始偏振軸對稱振蕩，不涉及直流分量且旋光角大小提升1.4倍。利用鎖相放大技術有效隔離了低頻噪聲。
FRM模式下響應信號的刻度系數(shù)提升約1.4倍（上）
FRM模式下檢測光的1/f噪聲被顯著抑制（下）
最后，在3 mm × 3 mm × 3 mm的87Rb氣室中，實驗驗證了在1-10 Hz時的平均靈敏度為7 fT/Hz1/2，以及在10-100 Hz時的靈敏度3.5 fT/Hz1/2，達到同氣室尺寸下的國際最好靈敏度指標。
驗證了在1-10 Hz時的平均靈敏度為7 fT/Hz1/2，
以及在10-100 Hz時的靈敏度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：
[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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