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一、研究背景

 小型化SERF原子磁强计（AM）采用具有圆偏振分量的泵浦光来极化碱金属原子，极化后的原子系综在磁场作用下进动。通常原子自旋进动的读出可以通过施加辅助调制磁场或使用全光检测装置来实现。

然而，调制磁场会引入额外的自旋交换弛豫，导致灵敏度损失，引起的相邻传感器之间的串扰。

相比之下，全光方法避免了小型化 SERF AM 中的串扰，为构建高灵敏度阵列 AM 系统提供了一种有竞争力的解决方案。

典型的全光检测构型：（a）圆偏振光极化原子。（b）稳态的线偏振光利用法拉第旋转角进行检测。

二、研究内容

01：解决的问题

常用的小型化 SERF AM 全光检测配置中，法拉第旋转角是直接测量的而无需调制，因此，受限于电噪声、光参数漂移和环境振动等因素引起的 1/f 技术噪声，低频灵敏度难以提升。

现有的主流解决方案包括对检测光偏振方向[1]和光功率的调制，前者通常涉及使用空间光相位调制器，难以集成到小型化的 SERF AM 中，后者在测量过程中法拉第旋转角信号被分解成直流 (DC) 和交流 (AC) 分量，直流分量会被滤除，这会降低信号强度并限制灵敏度。

因此，由于紧凑尺寸和便携性的限制，现有的用于法拉第旋转角的调制方式难以同时实现紧凑性和高灵敏。

02：提出的方法

在本研究中，提出了一种用于小型化SERF AM的全光法拉第旋转调制 (FRM) 方案，通过结合紧凑的光纤光开关来实现调制，而无需改变探头的原有结构。所提方案中，检测光的频率周期性地在相对于碱金属原子共振频率的相等红光和蓝光失谐之间交替。从而使得法拉第旋光角围绕初始偏振面在顺时针、逆时针旋转之间切换，在法拉第旋光角产生过程中直接调制为高频信号。

三种全光检测构型下的工作模式：（a）传统DC模式。（b）通过光功率调制信号幅值（SAM）模式。（c）FRM模式。

创新性地将在光通信中广泛应用的光纤光开关集成到SERF AM中，实现了FRM模式的紧凑化。在外部电压脉冲信号的驱动下，从输出1输出的激光频率在红光和蓝光失谐之间快速交替，AM和光开关的全光纤化设计使得低成本、高灵敏度的光纤AM阵列的开发成为可能。

通过光纤光开关实现FRM模式的示意图。

03：实现的效果

我们的方法使法拉第旋转角围绕初始偏振轴对称振荡，不涉及直流分量且旋光角大小提升1.4倍。利用锁相放大技术有效隔离了低频噪声。

FRM模式下响应信号的刻度系数提升约1.4倍（上）

FRM模式下检测光的1/f噪声被显著抑制（下）

最后，在3 mm × 3 mm × 3 mm的87Rb气室中，实验验证了在1-10 Hz时的平均灵敏度为7 fT/Hz1/2，以及在10-100 Hz时的灵敏度3.5 fT/Hz1/2，达到同气室尺寸下的国际最好灵敏度指标。

验证了在1-10 Hz时的平均灵敏度为7 fT/Hz1/2，

以及在10-100 Hz时的灵敏度3.5 fT/Hz1/2

论文原文：

研究成果以《All-Optical Faraday-Rotation-Modulated SERF Magnetometer with Enhanced Sensitivity》 为题发表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》

参考文献：

[1]   H. B. Dang, A. C. Maloof, and M. V. Romalis, "Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer," Appl. Phys. Lett., vol. 97, no. 15, p. 151110, 2010.

[2]   Yan Y, Zhou C, Liu Z, et al. All-Optical Faraday-Rotation-Modulated SERF Magnetometer with Enhanced Sensitivity[J]. IEEE Trans. Instrum. Meas, vol. 74, p. 1506310, 2025.

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