综述：基于系统参数分析的K-Rb-21Ne共磁强计中原子自旋极化磁场梯度的抑制

《Sensors and Actuators A: Physical》：Suppression of magnetic field gradient of atomic spin polarization based on systematic parameter analysis in K-Rb-21Ne comagnetometer

　　 Senhua Lei | Kai Zhang | Zhihong Wu | Qi Yuan | Xusheng Lei | Wei Quan | Haoying Pang **摘要** 在原子磁力计中，由于光吸收导致的非均匀原子自旋极化分布会在系统内部产生过大的等效磁场梯度（MFG），从而严重降低其灵敏度。虽然单参数调谐往往无法实现全局最优，而诸如光路优化和梯度线圈等主动补偿方法又受到体积和磁干扰的限制，本文提出了一种基于系统参数分析的全面抑制原子自旋极化MFG的策略。首先，利用包含扩散项的布洛赫方程（Bloch equation）开发了一个用于分析极化MFG的定量模型。随后，提出了一种基于核自旋弛豫的原位MFG测量方法。在此基础上，通过协调调整系统参数开发了一种闭环抑制方法。实验结果表明，极化MFG减少了十倍以上，核自旋横向弛豫率降低了33.10%，因此在体积限制条件下，惯性测量灵敏度达到了4.58×10^-6 °/s/Hz^1/2。通过在不增加硬件复杂性的情况下有效抑制极化梯度的源头，该方法为提高原子自旋相干性和扩展磁力计在微型系统中的应用提供了重要的技术支持。 **引言** 得益于量子操控领域的理论突破和技术进步，新型原子惯性测量技术受到了全球范围内的广泛关注[1][2]。基于自旋交换弛豫自由（Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF）效应的磁力计具有同时实现高精度、紧凑尺寸和低成本的潜力[3][4][5]，已成为新一代高精度惯性测量仪器的重要发展方向，并已在暗物质探测[2][6][7]和高精度导航[8][9]等前沿物理领域得到研究，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。高原子序数密度是实现SERF原子自旋惯性测量的主要前提条件之一[10]。然而，高原子序数密度会导致较大的光学深度[11][12]，从而在蒸汽池内产生非均匀的泵浦光分布，进而引起原子自旋极化不均匀，进而产生磁场梯度（MFG）[13][14]。这种极化MFG会导致原子自旋弛豫率增加和惰性气体（NG）的极化率降低[15][16]，严重影响惯性测量的灵敏度和稳定性。因此，对这种梯度进行彻底分析和有效抑制至关重要。 关于极化MFG的抑制，许多研究人员对原子自旋的均匀极化进行了研究[17]，这有助于抑制梯度。第一类方法涉及混合泵浦技术。威斯康星大学麦迪逊分校的Walker团队首次提出了K-Rb混合泵浦实验，并指出在富含K原子的蒸汽池中，混合自旋交换碰撞的效率可以达到纯Rb原子泵浦的1/4[18]。京都大学的研究人员利用极化空间分布模型计算了不同密度比（DR）下的极化空间分布[19]，并优化了原子DR以最大化输出信号和空间均匀性。Wei等人使用布洛赫-托里方程（Bloch-Torrey equation）研究了蒸汽池内碱金属（AM）电子自旋和NG核自旋的空间分布，模拟了不同DR下的极化分布[20]。此外，通过调整细胞温度、泵浦光功率、频率和光束直径等参数，也可以在一定程度上实现电子自旋的均匀分布。Jia等人研究了核磁共振陀螺仪在不同泵浦光参数下的电子自旋极化分布，验证了泵浦光功率可以提高极化均匀性[21]。Sho等人研究了不同DR下磁力计系统的温度特性[22]。Ma等人和Wang等人利用混合光泵浦技术提高了单束SERF系统的极化均匀性[23][24]。上述研究表明，磁力计和核磁共振系统的操作参数会影响电子极化的分布，优化这些参数可以提高极化均匀性，从而抑制极化MFG。然而，这些研究大多集中在单个参数的独立分析上，缺乏将定量建模与原位测量相结合的系统性、闭环验证，难以实现整个系统性能的全局优化。 其次，光学补偿方法也可以通过补偿蒸汽池内的泵浦率梯度来抑制极化梯度。普林斯顿大学的Lee和Seltzer利用反向传播的双光束泵浦方法在射频磁力计中实现了相对均匀的泵浦率[25]。Cao等人利用原位反射泵浦光增强了SERF原子磁力计中的电子自旋极化并改善了极化梯度[26]。Zhao等人提出了一种基于双光束泵浦的SERF磁场测量设备中的电子极化梯度抑制方法[27]。Yuan等人提出了一种基于光学补偿的均匀光泵浦SERF磁力计[28]。然而，这些方法需要额外的泵浦光路，显著增加了光学设置的复杂性。此外，它们对光束对准和一致性有严格要求，并且容易引入额外的光移噪声，这对系统的微型化和长期稳定性不利。 另一种抑制极化MFG的方法是使用梯度线圈进行主动补偿[29]。MFG会减少系统的弛豫时间，从而导致系统灵敏度降低。因此，可以利用MFG与弛豫时间之间的关系来测量和补偿系统的MFG。Luo等人在含有129Xe的核磁共振陀螺仪的蒸汽池中施加了负MFG，以测量和补偿残余MFG[30]，使129Xe的横向弛豫时间延长了2-7倍。随后，他们在含有87Rb和129Xe的立方体蒸汽池中进一步应用了一阶和二阶MFG进行MFG补偿[31]，使129Xe的横向弛豫时间延长了4.3倍。Klinger等人研究了一种应用于K-3He的MFG优化方法，基于纵向磁场闭环系统提高了核自旋的纵向和横向弛豫时间。