Спиновый генератор на атомах Cs с лазерной накачкой... А.Н. КОЗЛОВ, Е.В. ЖИВУН
advertisement
Спиновый генератор на атомах 133Cs с лазерной накачкой... А.Н. КОЗЛОВ, Е.В. ЖИВУН1, С.А. ЗИБРОВ2, В.В. ВАСИЛЬЕВ2, В.Л. ВЕЛИЧАНСКИЙ2, В.П. ЯКОВЛЕВ1 Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн, Троицк, Московская обл. 1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва СПИНОВЫЙ ГЕНЕРАТОР НА АТОМАХ 133Cs С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ В ЗЕМНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Приведено сравнение преимуществ и недостатков накачки посредством лазера и лампы. Указаны возможные области применения квантовых магнитометров с лазерной накачкой. Описаны экспериментальные методы, применявшиеся для исследования квантовых магнитометров с оптической накачкой. Полученные результаты сопоставляются для устройств с ламповой и лазерной накачкой при различных ее параметрах. Определены оптимальные условия при накачке одним и двумя лазерами. Измерение ларморовской частоты атомов позволяет определять магнитное поле и его вариации. Один из эффективных способов измерения основан на двойном радиооптическом резонансе зависимости поглощения оптического резонансного излучения от приложенного радиочастотного (РЧ) поля. Существуют два метода измерения этой частоты: пассивный, в котором регистрируют контур линии магнитного резонанса (МР) и определяют частоту, соответствующую его вершине, и активный, когда внешнего зондирующего генератора нет, и устройство (спиновый генератор) само генерирует сигнал на частоте ларморовской прецессии. Спиновый генератор состоит из датчика, усилителя и фазовращателя. Датчик включает в себя источник резонансного оптического излучения, ячейку с атомами щелочного металла, катушки, генерирующие РЧ-магнитное поле, и фотодиод. Оптическое излучение распространяется под углом по отношению к измеряемому магнитному полю и выполняет одновременно две функции: создание неравновесного распределения атомов по магнитным подуровням и детектирование сигнала МР. РЧ-катушки усиливают полученный сигнал и создают магнитное поле, служащее для возбуждения сигнала МР. Оптическая накачка ансамбля атомов лазерным излучением имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционно используемой ламповой накачкой. Энергопотребление лазера на два порядка меньше, чем у лампы, что важно для переносных квантовых магнитометров. В данной работе использованы ячейки 133Cs с покрытием, ширина линии поглощения в которых составляет несколько сотен МГц. Спектр излучения лампы значительно шире (2.5 ГГц), и только небольшая часть излучения накачивает атомы датчика. Линия излучения полупроводникового лазера с внешним резонатором (менее 1 МГц), напротив, значительно уже линии поглощения 133Cs. Поэтому излучение лазера поглощается более эффективно, и для достижения той же амплитуды сигнала, что и при ламповой накачке, требуется значительно меньшая интенсивность света. Большая спектральная плотность излучения, высокая эффективность накачки и возможность ввода в оптический волоконный световод позволяют использовать один диодный лазер для накачки десятков датчиков. Это находит применение в магнитокардиографии, где для получения пространственного разрешения используется матрица из ячеек [1]. Сейчас в клинической магнитокардиографии применяются датчики, основанные на эффекте сверхпроводящей квантовой интерференции Джозефсона (SQUID). По сравнению с ними не требующий сверхнизких температур многоканальный магнитометр для кардиографии будет иметь меньшие размеры, стоимость производства и эксплуатации. Энергопотребление лазера на два-три порядка меньше, чем для лампы, что важно для переносных квантовых магнитометров. С другой стороны, замена в магнитометре газоразрядной лампы на диодный лазер ставит новые задачи. Накачка излучением одночастотного лазера требует стабилизации частоты и ее настройки на определенный переход (сверхтонкая структура резонансных D1,2 линий включает 10 разрешенных компонент и необходим выбор оптимальной из них). Поскольку лазер в одночастотном стационарном режиме может взаимодействовать только с одним из сверхтонких подуровней основного состояния, атомы накачиваются на другой сверхтонкий подуровень, не поглощающий зондирующее излучение. Ширина линии генерации диодного лазера может быть значительно меньше доплеровской ширины поглощения атомов в ячейке с антирелаксационным покрытием. В этих условиях при сканировании частоты из-за отражений от фотоприемника и окошек ячейки возникает внутридоплеровская структура в сигнале пропускания. В стационарном режиме она вносит добавочные шумы из-за преобразования частотных флуктуаций в амплитудные. ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том IV 1 Спиновый генератор на атомах 133Cs с лазерной накачкой... Эксперименты проводились на установке, собранной в «павильоне сверок» ИЗМИРАН. Конструкция этого здания позволяет работать в невозмущенном земном магнитном поле с индукцией 52.1 мкТл. Установка позволяет производить оптическую накачку атомов в ячейке магнитометрического датчика излучением источников различных типов. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1. а б Рис. 1. Оптическая (а) и электронная (б) части установки Ориентация атомов и продольная макроскопическая намагниченность в датчике создаются излучением на D1 и D2 линиях 133Cs по отдельности или одновременно при помощи двух диодных лазеров с внешним резонатором [2]. Опорные датчики накачиваются цезиевой лампой. Многожильный световод, ведущий к датчику, может быть подсоединен к любому источнику накачки. Это позволяет быстро менять источники излучения и сравнивать параметры магнитометра при различных вариантах накачки. Для исследования МР использовались два метода. В одном из них атомы возбуждались РЧ-сигналом опорного самогенерирующего магнитометра (СГМ) с ламповой накачкой, частота которого изменяется магнитным полем. В другом – в РЧ-катушку исследуемого датчика подается напряжение от генератора шума (ГШ), спектр которого (30–800 кГц) перекрывает линию МР. При этом спектр сигнала пропускания исследуемого датчика воспроизводит форму линии МР. Этот способ позволяет одновременно наблюдать сигнал в состояниях F = 3 и F = 4 , что невозможно в первом методе. Разность ларморовских частот (и соответствующих частот самогенерации магнитометра) в состояниях F = 3 (f3) и F = 4 (f4) составляет f3 – f4 ≈ 600 Гц. Возбуждение шумовым РЧ-полем, в отличие от возбуждения узкой линией практически исключает насыщение. Шумовое поле взаимодействует с системой магнитных моментов сразу на всех частотах, вызывая перераспределение населенностей на двух подуровнях основного состояния. Характерные частоты сигнала МР составляют 182 кГц, поэтому для получения достаточного разрешения сигнал переносится в область низких частот (1.5–3 кГц) смешением с сигналом второго опорного магнитометра, который также имеет соленоид для управления магнитным полем и смещения частоты. Из-за близкого расположения датчиков флуктуации их частот, связанные с электросетью и вариациями магнитного поля Земли, одинаковы, и подавляются при гетеродинном вычитании. В роли анализатора спектра выступает звуковая карта ЭВМ. Программное обеспечение выполняет накопление, обработку и запись спектров. Средой его разработки и исполнения является LABVIEW. Амплитуды сигналов магнитометра в режиме самогенерации для ячейки с покрытием (4050 мм) сравнивались для случаев лазерной и ламповой накачки. В случае накачки на D1 линии, генерация наблюдалась на частоте f4, как для лампы, так и для лазера с внешним ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том IV 2 Спиновый генератор на атомах 133Cs с лазерной накачкой... резонатором при настройке его на переход 4−3’. Амплитуда сигнала самогенерации 350 мВ получена при интенсивностях накачки 400 и 40 мкВт для лампы и лазера соответственно. При накачке на D2 линии генерация получена на частотах f4 и f3 при настройке лазера на переходы 4−3’ и 3−2’ соответственно. Амплитуда сигнала в 350 мВ достигается при интенсивности накачки 27 мкВт на частоте f3. При той же интенсивности накачки амплитуда сигнала на f4 оказалась втрое меньше, то есть накачка перехода 3−2’ наиболее эффективна. Соотношение сигнал/шум в полосе 1 Гц составило 82 дБ для лампы, 83 дБ для D1 лазера, и 80 дБ для D2 лазера. Смешанное излучение D1 и D2 лазеров так же, как излучение лампы, взаимодействует одновременно с двумя подуровнями основного состояния, что позволяет устранить эффект сверхтонкой накачки и увеличить количество атомов, участвующих в создании намагниченности. Это увеличивает амплитуду сигнала примерно вдвое. Постоянная составляющая фототока при накачке двумя лазерами одновременно оказывается меньше, чем сумма фототоков при накачке лазерами по отдельности, то есть излучение поглощается более эффективно. Накачка двумя лазерами осуществлялась сонаправленными лучами, поэтому излучение каждого из лазеров попадало на фотоприемник. Таким образом, в сигнал дает вклад поглощение с каждого из сверхтонких подуровней основного состояния. Контур линии МР при накачке двумя лазерами показывает, что в сигнале прецессии присутствуют компоненты на частотах f3 и f4, причем они могут быть сравнимы по амплитуде. В зависимости от условий обратной связи, самогенерация может начаться в любом из этих состояний. Конфигурация ортогональных лазерных лучей, при которой оба лазера участвуют в накачке, но только один из них формирует сигнал, требует модификации датчика и будет исследовании на следующем этапе. В магнитном поле Земли отдельные компоненты МР для 133Cs не разрешаются, и соотношения между амплитудами этих компонент определяют форму огибающей. Если для накачки используется циркулярно поляризованный свет, изменение ориентации устройства приводит к изменению условий накачки и смещению максимума огибающей. Спиновый генератор возбуждается вблизи ее вершины, смещение которой приводит к изменению генерируемой частоты. Для уменьшения этой ошибки линию МР стремятся сделать симметричной. В частности, это может быть достигнуто смешением на одном фотоприемнике сигналов двух ячеек, каждая из которых накачивается циркулярно поляризованным излучением с противоположными знаками. Две ячейки могут быть заменены одной, разделенной перегородкой на две половины [3], или ячейкой с буферным газом, который препятствует свободному перемещению накачанных атомов [4]. Линия МР при накачке линейно поляризованным излучением симметрична, что должно значительно уменьшать ориентационный сдвиг. Эксперимент по накачке датчика на 133Cs линейно поляризованным излучением ранее был осуществлен в магнитном экране в работе [5]. Теоретическое описание работы устройства при малом значении магнитного поля приведено в работе [6]. Для линейно поляризованного излучения сигнал МР возникает на частоте ларморовской прецессии и на удвоенной частоте. Форма линии МР на основной частоте приведена на рис. 2. Такая форма не подходит для самогенерирующего устройства, поскольку неизвестно, на каком из максимумов возникнет генерация, так как амплитуды этих максимумов зависят от условий накачки. Спиновый генератор, использующий сигнал МР на удвоенной частоте (рис. 3) лишен этого недостатка. Схема устройства такого генератора приведена на рис. 4. Генератор с фазовой автоподстройкой частоты возбуждается на удвоенной частоте ларморовской прецессии и отслеживает изменение резонансной частоты, связанное с изменением магнитного поля. Уровень сигнала самогенерации 350 мВ достигнут при интенсивности накачки 40 мкВт на D1 линии. Соотношение сигнал/шум составило порядка 80 дБ в полосе 1 Гц. ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том IV 3 Спиновый генератор на атомах 133Cs с лазерной накачкой... Рис. 2. Сигнал на основной частоте Рис. 3. Сигнал на удвоенной частоте B0 Источник света f0+2f0 f0+2f0 ФАПЧ Brf f0 2 2f0 Рис. 4. Схема самогенерирующего датчика на удвоенной частоте ларморовской прецессии Предварительная оценка световых сдвигов показала, что при уменьшении светового потока с 40 до 14 мкВт генерируемая частота изменилась на 2.6 Гц, что соответствует изменению магнитного поля на 0.7 нТл. При накачке на D2 линии циркулярно поляризованным излучением эта величина составила приблизительно 20 Гц или 5.7 нТл, что на порядок больше. Более подробное исследование световых сдвигов и их сравнение для различных типов накачки планируется провести в дальнейшем. Основные результаты работы заключаются в следующем. Осуществлено возбуждение спинового генератора при его накачке излучением лазера. Одинаковая амплитуда сигнала самогенерации достигнута при мощности лазерной накачки, на порядок меньшей, чем для ламповой. Наибольшая эффективность достигается при использовании лазера, настроенного на D2 линию, наилучшее соотношение сигнал/шум при настройке лазера на D1 линию. Получены предварительные результаты по работе спинового генератора с накачкой линейно поляризованным излучением для уменьшения погрешностей измерения, и накачке двумя лазерами для увеличения амплитуды сигнала и эффективности оптической накачки. Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ № 090201151. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Bison G., Wynands R.., Weis A. // Appl. Phys. B. 2003. V. 76. P. 325. 2. Vassiliev V.V., Zibrov, Velichansky V.L. // Review Of Scientific Instruments 2006. V. 77. P. 013102. 3. Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. М.: Наука, 1972. 4. Tsutomu Yabuzaki // PhD thesis. Kyoto University. Kyoto, Japan, 1973. 5. Gianni Di Domenico, Bison G., Groeger S. et. al. // Phys. Rev. A. 2006. V. 74. P. 063415. 6. Weis A., Bison G., Pazgalev A.S. //Phys. Rev. A. 2006. V. 74. P. 033401. ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том IV 4
