超高精度原子磁强计芯片级实现方法研究

无自旋交换弛豫（SERF）和非线性磁光旋转（NMOR）是原子磁强计领域的新突破，两者的结合使原子磁强计分辨率达到fT量级，成为与SQUID相当的超高精度磁强计，而且具有芯片化的潜力。这给MEMS器件研究带来了新的机遇。但是大尺度实验台上SERF和NMOR的实现方法很难直接应用于芯片级器件。.本项目研究超高精度原子磁强计芯片级实现方法，包括"片上加热磁屏蔽"和"单光束椭圆偏振光抽运与NMOR检测"。"片上加热磁屏蔽"方法的目的是解决芯片级SERF态实现中加热和磁屏蔽的矛盾，同时可以在宽量程范围内保持SERF态的测量；"单光束椭圆偏振光抽运与NMOR检测"方法的提出，将传统大尺度原理验证平台上正交双光束合二为一，从而避免了原子腔侧壁加工光学窗口的难题。.以上两个方法研究和验证，是芯片级超高精度原子磁强计设计的基础，也可用于芯片级原子钟、芯片级原子陀螺等其他原子MEMS器件的设计。

本项目的研究背景基于国际上超高精度原子磁强计研究领域的最新进展。其中普林斯顿大学的Michael V. Romalis小组处于该领域研究的前沿，目前该小组研制的原子磁强计达到0.16fT/Hz^1/2的磁场灵敏度，所采用的方案是正交双光束，其中一束圆偏振光用于原子的抽运，另一束线偏振光用于检测由磁场引起的原子极化矢量的偏转。该方法非常适合于大尺度的测量，但是对于MEMS工艺制备的芯片级原子磁强计而言，一个技术上的障碍就是难以实现正交的双光束，因为芯片级原子腔通常只用一个通光口径，难以实现两束正交光路。为此，本项目研究了单光束高精度原子磁强计的实现方法，包括单光轴智能收敛算法和单光束三轴分频调制方法等，同时也开展了原子腔芯片制备和测试方面的研究工作。通过项目的研究，分别在磁屏蔽桶内和实验室环境下完成了单光束原子磁强计三轴分频测试方法和智能收敛算法的实验验证，并初步完成了两种方法的集成测试和闭环实验。制备出原子腔芯片并设计搭建了原子腔芯片测试系统，完成了相关参数的测试。项目研究为今后原子磁强计的芯片级实现提供了方法上的参考和借鉴，同时也有助于更深入地理解原子极化和吸收之间的耦合及其与磁场之间的相互作用。