激光器 起偏器法拉第调制器

气室 检偏器光电探测器参考信号 输入信号

图 2。6 法拉第调制器检测偏角

第一种方法采用法拉第调制器，如图 2。6 所示。法拉第调制器位于气室之前，施加频率为

mod 的振荡场（千赫兹量级），由于法拉第效应，通过法拉第调制器的激光会受到调制产生偏 振方向的变化，造成非常小的偏转角 。通过法拉第调制器的激光随后通过气室，由于气室 中极化原子的影响，使得线偏光产生偏角。光束最终通过与初始偏振方向成 90检偏器，检 测到的光强由下式确定

式中 I0 为入射光强。法拉第调制器的频率 mod 作为参考频率输入锁相放大器，同时输入检测 光信号，经过锁相放大器的处理，入射光在 mod 处的傅里叶分量 I ，近似由下式表示

即通过锁相放大器得到的信号与光偏角成正比，因此通过计算得到的光强大小就可以得出光 偏角。

激光器起偏器 气室偏振分束器光电探测器光电探测器

图 2。7 差分结构检测偏角文献综述

第二种方法是利用差分结构进行检测，如图 2。7 所示。在气室的后方放置一个与入射光

成 45的偏振分束器，光线通过分束器分别到达两个光电探测器，对应检测到的光强分别为

有 I1 I2 I0 ，当激光不发生偏转时0 ，两束光光强相等。因此光偏角可以直接由两束光的 强度差值给出，当 时

由于知道其中一个光电二极管检测到的光强就可以计算另一个通道的光强，所以该方案结构 简单，但如果同时使用两个通道将会降低噪声，提高信噪比。

综合比较上述两种方法，法拉第调制器采用高频调制，可以有效地将光偏转信号与 1/f 噪 声等低频噪声分离，具有很高的灵敏度。当碱金属原子自旋方向的改变率小于调制频率时， 采用法拉第调制器是可行的，但是在高频场合就不再适用。采用差分检测的方法可以检测高 频信号变化，结构简单有利于小型化集成，但是相应的灵敏度不高。因此应该根据实际情况 选用合适的方法检测光偏角。

2。6 自旋弛豫

正如之前所讨论，优化磁强计灵敏度的重要手段就是提高自旋极化的相干时间，因此要 尽可能减小磁线宽。这里假定总磁场 B 沿着 z 轴方向，那么总的极化相干时间就可以由两项

描述，分别是原子自旋的纵向分量 Fz

的相干时间 T1  和横向分量 Fx的相干时间 T2  。

许多弛豫机制是由于气室内碱金属蒸气与缓冲气体、淬灭气体以及与自身碰撞引起的，为了

提高灵敏度，高灵敏度光泵磁强计来~自,优^尔-论;文*网www.youerw.com +QQ752018766-会尽可能的减小以上每项弛豫所带来的影响，以下就具体

的弛豫机制展开分析。

2。6。1 自旋交换碰撞弛豫

当气室中碱金属蒸气密度很高时，自旋交换碰撞是引起自旋弛豫的主要因素[23]。发生自 旋交换碰撞时，两个原子的自旋方向在保持总的自旋不变的情况下会发生交换，这个过程用 符号表示如下

箭头方向表示自旋向上或向下。两个碱金属原子的电子在基态时遵循泡利不相容原理，每个 轨道上面会有自旋向上和向下的电子存在，总体表现为零，处于单重态。但是在相互耦合的 过程中，如果考虑自旋波函数，那么将会有四种组合形式，其中三种组合形式中电子自旋是 反对称的，耦合的过程中两电子交换不引起波函数的改变，自旋波函数对称，称为三重态， 具有排斥势；另外一种组合形式中，电子自旋对称，交换两电子时波函数变号，自旋波函数 反对称，称为单重态，具有吸引势[21,23,24]。碰撞之前原子态是确定的，因此两个原子可以在同 一个自旋坐标系中描述，在碰撞的时候，可以将两个原子看做一个分子，称为碱金属二聚体， 处在单重态和三重态的叠加状态。根据洪德定则，三重态能级要低于单重态，这会导致二聚 体在互相碰撞时，会引起自旋波函数的相移，导致电子自旋态的改变。