脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計

核心概念

本文介紹了一種新型脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計，它利用脈衝光泵浦技術消除了傳統連續波光泵浦協同磁力計的局限性，實現了對兩個正交軸信號的同時測量，並抑制了光漂移和光束指向性波動的影響。

摘要

文獻摘要

本研究論文介紹了一種基於脈衝光泵浦的新型雙軸⁸⁷Rb-²¹Ne協同磁力計。傳統的連續波光泵浦協同磁力計存在著易受光漂移、功率波動和光束指向性波動影響的局限性，而脈衝光泵浦技術則克服了這些問題。

脈衝光泵浦的優勢

在脈衝方案中，泵浦雷射在測量期間關閉，從而從根本上消除了或抑制了困擾直流模式協同磁力計的泵浦雷射光漂移和功率波動。通過對振盪瞬態信號進行非線性擬合，可以將光束未對準與真實信號分離，從而消除了光束指向性波動造成的主要 1/f 噪聲來源之一，從而允許將協同磁力計頻寬擴展到更低的頻率範圍。

雙軸靈敏度

與傳統的單軸直流模式協同磁力計不同，脈衝協同磁力計在橫向平面內具有雙軸靈敏度，因為任何橫向耦合都會引起電子自旋旋進，其ˆx 投影表現出振盪行為。

光漂移和功率波動抑制

由於泵浦雷射在測量時關閉，因此脈衝方案從根本上消除了泵浦雷射光漂移。此外，在足夠高的泵浦速率下，脈衝協同磁力計對泵浦雷射功率波動的敏感度也得到抑制。

光束指向性波動抑制

惰性氣體核自旋會根據泵浦光束偏轉引起的傾斜電子自旋極化重新定向，從而抑制暗時間期間電子自旋的振盪幅度。

實驗結果

實驗結果驗證了脈衝協同磁力計的上述優勢。通過慢速 Bx 調製技術，成功地找到了補償點，並校準了協同磁力計信號。通過旋轉實驗裝置，測量了地球自轉，結果與理論值一致。

總結

脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計克服了傳統直流模式協同磁力計的局限性，為基礎物理測試和慣性旋轉感測提供了一種高靈敏度和高穩定性的解決方案。

統計資料

鹼金屬原子密度約為 2.6×10¹⁴ cm⁻³。
泵浦雷射功率接近 800 mW。
探測雷射功率為 2 mW，直徑為 2 mm。
協同磁力計對橫向磁場的響應被抑制了約 800 倍。
⁸⁷Rb 的迴旋比為 2π 2.8×10⁶ Hz/G。
²¹Ne 的迴旋比為 2π 336.3 Hz/G。
Rb-Ne 的增益因子 κ₀ 為 35.7。

引述

"By turning off the pump laser during measurement, pump laser light shift and power fluctuations afflicting DC-mode comagnetometers can be fundamentally eliminated or suppressed."
"Performing non-linear fitting on the oscillating transient signal enables separation of beam misalignment from real signal, thereby eliminating one dominant source of 1/f noise from beam pointing fluctuations to allow for expansion of comagnetometer bandwidth towards lower frequency range."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Pulsed Dual-axis Alkali-metal-noble-gas Comagnetometer

by Jingyao Wang... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12125.pdf

深入探究

除了基礎物理測試和慣性旋轉感測，脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計還有哪些其他潛在應用？

除了基礎物理測試和慣性旋轉感測外，脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計還有許多其他潛在應用，受益於其高靈敏度、雙軸測量能力以及對某些噪聲源的抑制能力。以下列舉一些例子：

醫學成像： 協同磁力計可用於測量極其微弱的磁場，例如由大腦和心臟產生的生物磁場。脈衝方案可以通過消除泵浦激光光移和功率波動來提高靈敏度，從而實現更精確的腦磁圖 (MEG) 和心磁圖 (MCG) 測量。
地球物理學和資源勘探： 協同磁力計可用於測量地磁場的微小變化，有助於探測地下礦藏、石油和天然氣儲量，以及監測火山活動和地震活動。脈衝方案可以提高測量靈敏度，並擴展可探測的頻率範圍。
導航和定位： 協同磁力計可用作高精度磁力儀，用於導航和定位系統，例如用於自動駕駛汽車、無人機和機器人的慣性導航系統。脈衝方案可以提高磁力計的精度和穩定性，使其在 GPS 拒止環境中也能可靠地工作。
非破壞性檢測： 協同磁力計可用於檢測材料中的缺陷和異常，例如金屬疲勞、腐蝕和裂紋。脈衝方案可以提高測量靈敏度，並允許檢測更小的缺陷。
基礎科學研究： 除了文中提到的應用外，脈衝協同磁力計還可以用於其他基礎科學研究，例如尋找新的基本粒子、檢測引力波和探索暗物質的性質。
總之，脈衝雙軸鹼金屬-惰性氣體協同磁力計是一種非常有前途的技術，在許多領域都有廣泛的應用前景。

該研究中提到的脈衝方案是否會引入新的噪聲源或系統誤差？

雖然脈衝方案在抑制某些噪聲源方面表現出色，例如泵浦激光光移和功率波動，但它也可能引入新的噪聲源或系統誤差，需要在實際應用中仔細評估和解決。以下列舉一些例子：

泵浦激光脈衝的時序抖動： 脈衝方案依賴於精確的時序控制來分離泵浦和探測階段。泵浦激光脈衝的時序抖動會引入噪聲，並降低測量靈敏度。
泵浦激光脈衝的有限關閉時間： 理想情況下，泵浦激光在探測階段應該完全關閉。然而，實際上，泵浦激光脈衝的關閉時間是有限的，這會導致殘餘光移和噪聲。
鹼金屬原子極化的弛豫效應： 在脈衝方案中，鹼金屬原子極化在泵浦階段建立，並在探測階段衰減。這種弛豫效應會導致信號衰減和線形失真，需要通過數據分析進行校正。
泵浦光束形狀和強度的空間不均勻性： 泵浦光束形狀和強度的空間不均勻性會導致鹼金屬原子極化的不均勻分佈，從而引入系統誤差。
數據採集和信號處理的複雜性： 與直流模式相比，脈衝方案需要更複雜的數據採集和信號處理技術，例如快速數據採樣、數字信號處理和非線性擬合。這些過程可能會引入額外的噪聲和誤差。
為了充分發揮脈衝方案的優勢，需要仔細優化實驗參數，例如泵浦激光脈衝的時序、形狀和強度，以及數據採集和信號處理方法。

如果將脈衝方案應用於其他類型的協同磁力計，例如基於自旋交換弛豫自由 (SERF) 原子磁力計的協同磁力計，是否也能獲得類似的性能提升？

將脈衝方案應用於其他類型的協同磁力計，例如基於自旋交換弛豫自由 (SERF) 原子磁力計的協同磁力計，原則上也能獲得類似的性能提升，特別是在抑制泵浦激光噪聲和擴展頻寬方面。
SERF 磁力計利用高鹼金屬原子密度下自旋交換碰撞的減弱來實現高靈敏度。然而，它們也容易受到泵浦激光噪聲的影響。脈衝方案可以通過在探測階段關閉泵浦激光來消除這種噪聲源，從而提高 SERF 磁力計的靈敏度。
此外，脈衝方案可以通過分析瞬態信號來提取有關自旋動力學的更多信息，從而擴展協同磁力計的頻寬。這對於需要高時間分辨率的應用（例如腦磁圖和心磁圖）非常有利。
然而，將脈衝方案應用於其他類型的協同磁力計也需要克服一些挑戰。例如，需要根據具體的協同磁力計系統設計合適的脈衝序列和數據分析方法。此外，脈衝方案可能會影響協同磁力計的其他性能指標，例如動態範圍和長期穩定性，需要在實際應用中進行權衡和優化。
總之，脈衝方案為提高協同磁力計的性能提供了一種有前景的途徑，但需要根據具體的應用場景和協同磁力計系統進行仔細評估和優化。