地磁量级磁力计信噪比的增强

原子磁力计作为最灵敏的磁力计之一有广泛的应用前景。利用非线性磁光旋转效应测量磁场的原子磁力计由于其极低的灵敏度并且易于小型化，成为了测量磁场的一种理想手段。非线性磁光旋转常常也伴随着自旋转（PSR）效应。当磁力计的探测光与原子跃迁频率靠近时，该效应会引起磁力计噪声水平的变化。在原子磁力计中，磁场信息常常加载在光场偏振中。对于一般的偏振测量装置，其观测量往往对应的正交分量为正交振幅。由于自旋转效应的存在，此时光场噪声要高于标准量子极限。陈丽清教授、袁春华副研究员与上海交通大学的张卫平教授合作，理论上攻关了压制自旋转效应，提高了测量信号的信噪比，并且在实验上实现，相关工作发表在Phys. Rev. Appl, 11, 054075 (2019)。

理论计算发现地磁场环境下的原子磁场测量中，携带磁场信息的信号光场，其噪声和信号都随着正交相位而改变，但是依赖关系不同，造成磁场测量的信噪比随相位变化，最佳信噪比既不在噪声最小处也不在信号最大处。通过相位调节器，选择一个合适的相位，可以得到最优信噪比。实验中，在地磁量级磁场下，信噪比取决于x偏振分量光场与y偏振分量光场之间的相对相位。随着主磁场或者随着耦合系数增加，最大信噪比出现的相位逐渐从信号最大的相位移至噪声最小的相位。在最优条件下信噪比可以提高10 dB，此时磁力计的灵敏度为8 pT/√Hz。考虑到在实验中，所用的原子池未经过特殊处理，并且其线宽为48kHz。若换成一个线宽小于10 Hz 的原子池（可以通过镀抗弛豫膜达到这一水平），其灵敏度可以提高5000 倍，使灵敏度达到fT/√Hz 量级。

由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着磁场, 这个磁场就是地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量有迫切的需求，也是国际上一大趋势。虽然原子磁力计作为最灵敏的磁力计之一，但是其在地磁场下或无磁屏蔽下的性能还有待提高。在地磁场下，自旋转效应更加明显，因此找到合适的方法去除自旋转效应提高信噪比对地磁场磁力计意义重大。

图1. （a）光场与原子相互作用后的性质变化示意图；（b）磁力计信号、噪声以及信噪比随相对相位的变化。