微小型CPT原子磁力仪*

李明阳， 王学锋， 卢向东， 邓意成， 李新坤， 王风娇

(1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北京 100094；2.北京航天控制仪器研究所，北京 100854)

0 引 言

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)航磁测量作为传统有人机航磁测量的补充，以其成本低、人为干预少、无人员安全隐患等优势在地质调查、资源勘探和水下磁性目标探测等领域得到了应用[1～3]。

磁力仪是无人机航磁测量系统中的核心传感器，对测量结果至关重要。目前，国内外磁力仪种类主要包括磁通门磁力仪、光泵磁力仪、质子磁力仪、超导磁力仪和原子磁力仪[4～7]。其中，相干布居俘获(coherent population trapping,CPT)原子磁力仪利用原子能级的塞曼分裂测量磁场，具有长期稳定性好、准确度高、无方向盲区、探头无线圈且体积小等优点[8,9]，较其他磁力仪更适合小型无人机航磁测量应用。

目前，国内外高精度CPT原子磁力仪大多采用了全光探头方案。奥地利空间研究中心和格拉茨技术大学合作研制了基于CPT原理的双暗态磁力仪[10～12]，全光结构探头体积约为300 cm3，远小于光泵磁力仪和Overhauser磁力仪，但是该探头为对射同轴式圆柱体，光纤跳线从探头两端伸出，弯曲后再连回电子箱，光缆弯曲布置极大地增加了探头的外轮廓尺寸，并且弯曲部分的光缆处于悬空状态，使用时需要对其进行额外保护，不利于小型无人机搭载应用。在小型化磁力仪研制方面，美国国家技术标准研究院基于MEMS技术研制了表头体积12 mm3的芯片级CPT原子磁力仪探头，由于气室附近存在金属元器件及激光器驱动电流，导致探头噪声较大，约为100 pT/Hz1/2@1 Hz[13]，无法满足高精度磁异常探测需求。得益于电路集成技术的发展，现有CPT磁力仪电子箱的体积、重量和性能能够满足小型无人机搭载使用要求，探头体积和性能成为了制约CPT磁力仪机载应用的关键因素。

综上可知，CPT原子磁力仪虽然具有高精度、低功耗和全向性等特点，在小型无人机平台磁异测量应用中占有较大优势，但现有的CPT原子磁力仪因体积和性能等原因尚不能满足小型无人机搭载的使用需求。为了满足这一需求，必须进行小型化设计。

1 CPT原子磁力仪测量原理

CPT原子磁力仪通过CPT现象测量87Rb原子在磁场下的塞曼能级分裂频率间隔来实现磁场测量。CPT现象和塞曼效应是CPT原子磁力仪能够进行磁场测量的两个最基本物理原理。

塞曼效应指原子在磁场中能级发生劈裂的现象[14]，以87Rb原子D1线为例，其塞曼子能级如图1所示。

图1 87Rb原子D1线塞曼子能级

图1中，Λ1、Λ2、Λ3为原子Λ型三能级系统，52P1/2为激发态，52S1/2为基态，Fe和Fg为超精细结构，m为塞曼分裂。基于塞曼分裂的磁场计算如式(1)和式(2)所示

Δv=v1-v2=Δv0+2mFγB

(1)

(2)

式中v1，v2为相干光束频率，Hz；mF(0,±1…)为两基态能级的磁量子数，基态能级确定时为常数；Δv0为mF=0时基态Fg=2与Fg=1的频率差，Δv0≈6.834 682 6 GHz；γ为铷原子旋磁比，γ≈6.998 123 Hz/nT；B为待测磁场强度，nT。由式(2)可知，求得两束相干光的频率差即可得到待测磁场值。

在原子Λ型三能级系统中，如图1所示，能级Fg=1，2，mF=1为基态能级;Fe=2，mF=2为激发态能级，两束频率为v1和v2的相干光束作用于原子，v1和v2分别对应能级Fg=1，2,mF=1与能级Fe=2，mF=2间的跃迁频率。当两束光的频差Δv满足式(1)时，会出现两基态能级相干叠加，原子被陷俘在叠加态上无法跃迁的现象，此现象即为CPT现象。此时原子不再吸收光，产生透射增强电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)信号。

采用微波对激光器进行调制，当微波调制频率满足式(1)时，即可实现CPT效应。当磁量子数mF取0，+1，-1时，依次形成0级EIT信号、+2级EIT信号和-2级EIT信号，如图2所示。

图2 EIT信号

将mF=-1，0，+1依次代入式(1)求得频率差分别为

ΔvmF-1=Δv0/2-γB

(3)

ΔvmF0=Δv0/2

(4)

ΔvmF+1=Δv0/2+γB

(5)

由式(4)减式(3)，式(5)减式(4)得

γB=ΔvmF0-ΔvmF-1

(6)

γB=ΔvmF+1-ΔvmF0

(7)

由式(6)和式(7)可知，通过求得相邻EIT峰间的频差即可求出待测磁场值。

综上可知，CPT原子磁力仪利用原子能级的塞曼分裂测量磁场，不受其他外界因素干扰，因此具有长期稳定性好、准确度高和无方向盲区等优点。

2 微小型CPT原子磁力仪

2.1 反射光路式微小型CPT原子磁力仪探头

微小型CPT原子磁力仪由电子箱和微小型CPT原子磁力仪探头组成，如图3(a)所示，探头与电子箱通过单模保偏光纤跳线、多模光纤跳线和高频加热线连接。微小型CPT原子磁力仪探头采用反射光路方案，如图3(b)所示，由准直透镜、PBS、1/4波片、微小型原子气室和直角棱镜构成反射光路。

图3 微小型CPT原子磁力仪

入射激光首先经光纤准直器转换为平行光，再经PBS偏转90°，由S轴输出线偏振光，线偏振光经1/4波片转换为圆偏振光与原子气室内铷原子作用，随后经直角棱镜反射通过光纤准直器耦合进入多模光纤。多模光纤将带有磁场信息的激光传输回电子箱进行信号解调，解算出磁场信息。项目团队采用反射光路方案成功研制出了体积15.6 cm3的微小型CPT原子磁力仪探头，如图3(c)所示。

2.2 微小型原子气室

CPT原子磁力仪使用的原子气室是一个密闭的玻璃腔室，原子气室内壁进行反弛豫镀膜，原子气室内部密封碱金属87Rb原子以及特定配比的缓冲气体。反弛豫镀膜和缓冲气体可有效提高原子弛豫时间，实现更高精度的磁场测量。

原子气室是CPT原子磁力仪的核心器件，其体积和弛豫特性直接影响微小型CPT原子磁力仪体积和精度，微小型原子气室制造技术是现阶段微小型CPT原子磁力仪研制的关键技术之一。

本文通过攻克微型气室玻壳精密加工、碱金属精确填充和耐高温抗弛豫镀膜等关键技术成功研制了直径和长度均为1 cm的微小型原子气室，如图4所示，满足了微小型CPT原子磁力仪研制需要。

图4 微小型原子气室

3 性能测试

3.1 准确度与非线性度测试

通过与Overhauser质子磁力仪比对的方式，对微小型CPT原子磁力仪准确度和非线性度进行测试，测试条件如图5所示。

图5 磁力仪性能测试

图6 准确度与非线性度测试结果

由图6线性拟合和拟合残差可知，微小型CPT原子磁力仪测量准确度优于0.24 nT。由非线性度计算式(8)可知，微小型CPT原子磁力仪非线性度优于0.000 24 %

l=0.24/100 000=2.4×10-6

(8)

3.2 噪声测试

在地磁场条件下采集微小型CPT原子磁力仪磁场输出数据，经傅里叶变换得到当前磁场条件下的噪声功率谱密度曲线。微小型CPT原子磁力仪噪声测试原始数据如图7(a)所示，噪声功率谱密度曲线如图7(b)所示。

图7 噪声测试结果

由图7测试结果可知，微小型CPT原子磁力仪噪声优于15.34 pT/Hz1/2@1～15 Hz。

3.3 磁场跟踪能力测试

使用信号发生器输出方波信号直接激励线圈，在频率0.2 Hz、峰峰值50 mV、占空比50 %、微小型CPT原子磁力仪采样频率f为30 Hz、磁场峰峰值Pm为50 nT的测试条件下，微小型CPT原子磁力仪磁场跟踪曲线如图8所示。由测试结果可知，微小型磁力仪磁场跟踪曲线上升或下降沿最大采样点数n=4，即微小型磁力仪能够在4/30 s内完成50 nT磁场阶跃跟踪(每个“*”代表一个采样点)。

图8 磁场跟踪测试结果

微小型CPT原子磁力仪磁场跟踪能力Dt计算式如下

Dt=(Pm×f)/n

(9)

式中Pm为磁场峰峰值，nT；f为微小型CPT原子磁力仪采样频率，Hz；n为上升或下降沿最大采样点数。

由计算结果可知，微小型CPT原子磁力仪磁场跟踪能力优于375 nT/s。

4 结束语

针对现有磁力仪综合性能不足以满足小型无人机磁异探测工程应用的问题，设计了一种光纤准直器在探头结构同侧的微小型CPT原子磁力仪，线缆布置和安装更加便捷，探头体积小于16 cm3，满足了小型无人机搭载使用需求。经测试，微小型CPT原子磁力仪准确度优于0.24 nT，非线性度优于0.000 24 %，磁场跟踪能力优于375 nT/s，噪声优于15.34 pT/Hz1/2@1～15Hz。