基于原子自旋自持再生方法的新型精密磁场测量研究

High precision magnetic field measurements based on the atomic systems have found various applications in the areas such as geophysics, fundamental physics and so on. These magnetometers usually measure the external field by monitoring the frequency of the Larmor precession of spins. However, the precision is usually limited by the coherence time beyond which, the uncertainty decrease only as τ-1/2. In the former work, by non-destructively measuring the phase of the Larmor precession and coherent optical pumping, we can prepare the initial phase of the newly polarized spins in coherence with that of the precession, regenerating the spins coherently. Consequently, the self-sustaining Larmor precession signal can persist indefinitely and the precision of the magnetometer increases following a much faster τ-1 rule at a time scale larger than the coherent time of the atom. In this project, we are going to improve the measurement precision to 50 fT/Hz1/2, deeply research the self-sustaining technology in the large magnetic field and realize the τ-1 rule for 50000nT. For this purpose, we need to research on improving the SNR of the self-sustaining Larmor precession signal and high-efficiency polarization technology for the atom spins. By the research results, the performance of the self-sustaining magnetometer can be improved dramatically. Meanwhile, since the method itself is universal, the results will open a new way for SERF and other magnetometers, quantum frequency standard and inertial navigation.

高精度原子磁力仪在资源勘探、基础物理等众多领域有着重要应用。原子磁力仪通常通过监测在外磁场下极化自旋的拉莫尔进动频率来测量磁场，其测量精度常受限于相干时间，测量呈现τ-1/2规律。在前期工作中，通过量子无损探测和相干光泵浦，我们将自旋相位参考到系统拉莫尔进动相位上，实现了自旋自持再生，在长于相干时间的尺度上实现了τ-1测量。在本项目中，计划在前期工作基础上，把磁场测量灵敏度提升至50fT/Hz1/2，并深入研究大磁场下自持振荡型磁力仪技术，实现50000nT磁场下灵敏度随测量时间以优于τ-1/2规律下降。为了实现此目的，需进一步研究提升自持拉莫尔进动信号信噪比及大磁场下原子自旋高效极化等各项技术。该项目研究结果将大幅提升自持再生磁力仪的性能，同时由于该方法具有通用性，本项目的研究结果可促进其在SERF等其他原子磁力仪中的应用，还可将该方法应用于量子频标、惯性导航等系统中，具有重要意义。

磁场精密测量一直与人们的生产、生活息息相关，在导航定位、地质勘探、空间磁场、生物医疗、基础物理等多个领域均有广泛应用。原子磁力仪利用原子的相干内态提取磁场信息，往往表现出高灵敏度和高精度的优越测磁性能，成为了磁场测量实验研究阶段和商用产品转化的重点发展对象。自旋自持再生方法通过原子态相干制备和无损探测方式，使系统输出的原子自旋进动信号持续稳定振荡。由于信号每个周期的相位初始时刻参考了前次周期的相位演化，信号相位相干时间突破原子弛豫寿命一个量级以上，使得系统的测量噪声在Allan标准差分析中呈现快速1/τ规律下降。与一般原子磁力仪的τ^(-1/2)性质相比，这种1/τ测量表明系统的累积误差随测量时间增长而不再增加，为一常数，并且系统的噪声不确定度能快速接近量子噪声极限，在相同测量时间尺度上可获得更优越的灵敏度性能。本项目对自持振荡型原子磁力仪开展了深入研究，搭建了自持振荡型原子磁力梯度仪装置，并对梯度仪中两个原子气室中的拉莫尔进动频率同时进行了测量，实现了自持振荡型原子磁力仪对磁场梯度的测量。本项目还对自持振荡型原子磁力仪在大磁场下的磁场测量开展了研究，在30000 nT磁场环境下，磁场灵敏度随测量时间均以优于τ^(-1/2)规律下降，在40000 nT-50000 nT磁场环境下，仍然能实现原子的自持振荡，延长了原子相干寿命，但自持振荡信号信噪比下降明显，磁场灵敏度随测量时间不以优于τ^(-1/2)规律下降。在本项目的研究基础之上，我们还开展了拉曼激射主动型磁场测量技术。初步实验结果显示拉曼激射主动型原子磁力仪的测磁灵敏度为0.47fT/√Hz。因此，这种方案的测量灵敏度与现有的SQUID磁强计和SERF原子磁强计的测量灵敏度相当，并且磁场测量范围大（可到地磁场量级），实验装置简便，体积小可微型化，具有巨大的应用潜力。