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Acta Sinica Quantum Optica

基于光致压窄效应的原子磁力仪灵敏度优化研究

杨淑瑞 Shu-rui YANG, 王庆伟 Qing-wei WANG, 伏吉庆 Ji-qing FU, 孔嘉 Jia KONG

Published Jan 1, 2024• 1 citation
Publisher

Abstract

自旋交换碰撞导致的原子相干性破坏（弛豫）是影响地磁勘探中使用的原子磁力仪灵敏度的重要因素，特别是在高温、非弱磁的情况下为主要影响因素。本文使用光致压窄（light narrowing）效应对其进行限制，通过调节泵浦光的光强与波长来提高原子的极化率，抑制自旋交换碰撞弛豫带来的磁共振线宽的展宽，进而提高磁力仪灵敏度。通过建立钾原子磁力仪理论模型，针对多种变量进行优化，分析其中的不同弛豫过程以及光致压窄效应对原子磁力仪灵敏度的提升。计算结果表明，在一般条件下对于2 cm×2 cm×2 cm的原子气室，温度为200 ℃时，将泵浦率由0 Hz提升到620 Hz，可以将磁共振响应线宽由25 kHz压窄至312 Hz，此时有最优灵敏度为0.171 fT/Hz1/2。计算结果揭示了泵浦光导致的光致展宽和自旋交换碰撞弛豫消除两种机制的竞争关系，并优化了系统参数对磁力计灵敏度的影响。

DOI
10.3788/jqo20243003.0202

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基于交叉偏置磁场的单光束三轴原子磁力仪

吴梓楠 Wu Zinan, 张佳龙 Zhang Jialong, 何孟阳 He Mengyang +6 more

报道了一种基于交叉偏置磁场的单光束单调制三轴原子磁力仪。基于Bloch方程研究了单光束泵浦探测结构实现三轴磁场检测的理论，提出使用交叉偏置磁场来旋转原子自旋极化方向实现三轴磁场探测的方案，并通过实验进行了验证。仅采用单一调制磁场，在抑制低频噪声的前提下避免了磁场串扰问题。实验结果表明：在零磁场环境下，系统对X轴方向待测磁场的响应带宽为90 Hz，系统灵敏度为21 fT/（Hz1/2）；在Z轴方向施加34 nT的偏置磁场时，系统对Y轴方向待测磁场的响应带宽为130 Hz，系统灵敏度为26 fT/（Hz1/2）；在Y轴方向施加38 nT的偏置磁场时，系统对Z轴方向待测磁场的响应带宽为128 Hz，系统灵敏度为29 fT/（Hz1/2）。该三轴原子磁力仪体积小、结构简单且制作成本低，有望应用于生物医疗等领域。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•0 citations

16.8 W Diode Pumped Rubidium Vapor Laser with Brewster Angle Structure

谭彦楠 Tan Yannan, 李义民 Li Yimin, 刘通 Liu Tong +3 more

为了获得高效半导体抽运碱金属蒸气激光器，采用布儒斯特角结构的增益池，有效地提高了激光的单程透射率，p偏振的激光单程透射率达到97%。采用长度为1 cm 的增益池，其内填充碱金属铷蒸气作为增益介质和压强为79.99 kPa的甲烷作为缓冲气体。采用中心波长为780 nm，线宽为0.1 nm，功率为48 W 连续输出的半导体激光器作为抽运源。为了降低增益池内的热效应，采用斩波器将抽运光转化成脉冲形式输出，脉冲宽度为1.85 ms，重复频率为15 Hz，占空比2.77%。采用12 cm 的平凹谐振腔，利用输出耦合率分别为41%、58%、76%的输出镜进行了优化实验。在增益池温度为160 ℃时，采用输出耦合率为76%的输出镜，获得了峰值功率最高为16.8 W 的中心波长为795 nm 的铷激光输出，光-光转换效率为35%，斜率效率为44.2%。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2016•1 citation

基于超冷铒原子的双波长激光光纤相位噪声抑制

廖文敏 Liao Wenmin, 张思慧 Zhang Sihui, 段玉青 Duan Yuqing +2 more

以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10-16提升到6.5×10-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•0 citations

Enhancement of bandwidth in spin-exchange relaxation-free (SERF) magnetometers with amplitude-modulated light

Junjian Tang, Ying Liu, Yaxiang Wang +4 more

We demonstrate the bandwidth enhancement of an all-optical spin-exchange relaxation-free (SERF) magnetometer based on amplitude-modulated (AM) light. Alkali metal atoms are modulated directly by the pump beam instead of the modulation field or radio frequency field. The first harmonic demodulation of an AM SERF magnetometer with a modulation intensity of 15 kHz results in a high bandwidth of over 11 kHz with a sensitivity of 20 fT/Hz1/2 at 30 Hz and 60 fT/Hz1/2 at 10 kHz. Meanwhile, the AM SERF magnetometer with DC demodulation presents the same sensitivity as a traditional DC SERF magnetometer (6 fT/Hz1/2 at 30 Hz). The presented technique for modulating the amplitude of the pump beam allows AM SERF magnetometers to enter the domain of high-bandwidth magnetometers and opens the door to many areas that are inaccessible to conventional magnetometers.

Applied Physics Letters•Feb 21, 2022•84 citations

硅基光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔的传输特性

Tuohang LI, Xiaoyan ZHOU, Lin Zhang

本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。

Chinese Optics•Jan 1, 2026•0 citations

利用非线性干涉仪测量频率大失谐光子对的量子关联特性

付秀萍 Xiu-ping FU, 严浩 Hao YAN, 崔亮 Liang CUI +1 more

非线性干涉仪借助非线性参量过程实现光场的分束与合束，具有独特的输出特性，已被广泛应用于量子测量、量子传感、量子成像等领域。尤其是利用非线性干涉仪输出信号和闲频光场的等价性，仅使用一个单光子探测器即可实现对两个关联光场在模式匹配和时域相干性等方面的表征，从而降低了对待测波段探测器的硬性要求。本文利用光子晶体光纤搭建了迈克尔逊型非线性干涉仪，其中信号光场和闲频光场分别位于1 550 nm红外光通信波段和776 nm红光波段，两者频率差约193 THz。实验中使用一个单光子探测器测量干涉仪输出的闲频光场，当调整信号光场延时或遮挡信号光时，在闲频光场中观测到干涉可见度的改变。实验结果佐记了基于光子晶体光纤的频率大失谐非线性干涉仪在红外量子测量等应用中的可行性。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2025•0 citations
自旋交换碰撞导致的原子相干性破坏（弛豫）是影响地磁勘探中使用的原子磁力仪灵敏度的重要因素，特别是在高温、非弱磁的情况下为主要影响因素。本文使用光致压窄（light narrowing）效应对其进行限制，通过调节泵浦光的光强与波长来提高原子的极化率，抑制自旋交换碰撞弛豫带来的磁共振线宽的展宽，进而提高磁力仪灵敏度。通过建立钾原子磁力仪理论模型，针对多种变量进行优化，分析其中的不同弛豫过程以及光致压窄效应对原子磁力仪灵敏度的提升。计算结果表明，在一般条件下对于2 cm×2 cm×2 cm的原子气室，温度为200 ℃时，将泵浦率由0 Hz提升到620 Hz，可以将磁共振响应线宽由25 kHz压窄至312 Hz，此时有最优灵敏度为0.171 fT/Hz1/2。计算结果揭示了泵浦光导致的光致展宽和自旋交换碰撞弛豫消除两种机制的竞争关系，并优化了系统参数对磁力计灵敏度的影响。
报道了一种基于交叉偏置磁场的单光束单调制三轴原子磁力仪。基于Bloch方程研究了单光束泵浦探测结构实现三轴磁场检测的理论，提出使用交叉偏置磁场来旋转原子自旋极化方向实现三轴磁场探测的方案，并通过实验进行了验证。仅采用单一调制磁场，在抑制低频噪声的前提下避免了磁场串扰问题。实验结果表明：在零磁场环境下，系统对X轴方向待测磁场的响应带宽为90 Hz，系统灵敏度为21 fT/（Hz1/2）；在Z轴方向施加34 nT的偏置磁场时，系统对Y轴方向待测磁场的响应带宽为130 Hz，系统灵敏度为26 fT/（Hz1/2）；在Y轴方向施加38 nT的偏置磁场时，系统对Z轴方向待测磁场的响应带宽为128 Hz，系统灵敏度为29 fT/（Hz1/2）。该三轴原子磁力仪体积小、结构简单且制作成本低，有望应用于生物医疗等领域。
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以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10-16提升到6.5×10-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。
We demonstrate the bandwidth enhancement of an all-optical spin-exchange relaxation-free (SERF) magnetometer based on amplitude-modulated (AM) light. Alkali metal atoms are modulated directly by the pump beam instead of the modulation field or radio frequency field. The first harmonic demodulation of an AM SERF magnetometer with a modulation intensity of 15 kHz results in a high bandwidth of over 11 kHz with a sensitivity of 20 fT/Hz1/2 at 30 Hz and 60 fT/Hz1/2 at 10 kHz. Meanwhile, the AM SERF magnetometer with DC demodulation presents the same sensitivity as a traditional DC SERF magnetometer (6 fT/Hz1/2 at 30 Hz). The presented technique for modulating the amplitude of the pump beam allows AM SERF magnetometers to enter the domain of high-bandwidth magnetometers and opens the door to many areas that are inaccessible to conventional magnetometers.
本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。
非线性干涉仪借助非线性参量过程实现光场的分束与合束，具有独特的输出特性，已被广泛应用于量子测量、量子传感、量子成像等领域。尤其是利用非线性干涉仪输出信号和闲频光场的等价性，仅使用一个单光子探测器即可实现对两个关联光场在模式匹配和时域相干性等方面的表征，从而降低了对待测波段探测器的硬性要求。本文利用光子晶体光纤搭建了迈克尔逊型非线性干涉仪，其中信号光场和闲频光场分别位于1 550 nm红外光通信波段和776 nm红光波段，两者频率差约193 THz。实验中使用一个单光子探测器测量干涉仪输出的闲频光场，当调整信号光场延时或遮挡信号光时，在闲频光场中观测到干涉可见度的改变。实验结果佐记了基于光子晶体光纤的频率大失谐非线性干涉仪在红外量子测量等应用中的可行性。