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图1 基于液晶偏振光栅的原子磁强计差分检测方案
1. 导读
由于在无自旋交换弛豫状态下运行的原子磁强计(AM)能够检测飞特斯拉甚至亚飞特斯拉量级的极弱磁场，因此在许多磁力测量当中得到广泛应用，包括地理测量、基础物理测试以及导航等。特别在生物磁成像领域，AM有望取代超导量子干涉装置，用于心磁、脑磁等人体生物磁测量。由于生物磁测量对高空间分辨率的需求，未来AM将朝着小尺寸、低成本、高灵敏度的方向发展。然而，用于AM差分检测的传统光学器件限制了传感器尺寸的进一步减小。这些折射光学器件通过沿光传播方向的相位积累来实现所需的相位调制，因此，使用传统的折射光学器件很难制造出紧凑、低成本、轻便的设备，检测系统的体积大、重量重是不可避免的。针对这些问题，近日北京航空航天大学柴真团队在Nanophotonics发表最新文章，提出采用平面液晶光学器件来代替传统的折射光学器件实现AM的差分检测：利用液晶聚合物四分之一波片将线偏振光经过气室产生的旋光角转换为椭圆偏振光的椭圆度角，然后再利用液晶聚合物偏振光栅分离椭圆偏振光的左右旋组分进行差分检测（见图1）。与折射光学器件的相位积累不同，平面液晶光学器件通过旋转各向异性的液晶分子来引入突变相变，因此尺寸得到相当大的减小。团队针对该检测方案，设计了微小旋光角产生装置测试了其角度分辨率，在此基础上将其用于AM中，实现了磁场的高灵敏度检测。该研究成果不仅为实现极高灵敏度的微型化AM提供了一种实用的解决方案，并为未来AM在高空间分辨率的生物磁成像领域的研究与应用打开了新思路。2. 研究背景
高灵敏度的AM通常采用圆偏振光对气室内的碱金属原子（例如铷）进行光泵浦，然后采用非共振的线偏振光束进行原子自旋进动信号的检测，即通过测量穿过气室前后的偏振旋转角（即旋光角）来检测外界磁场。检测旋光角的方法有很多，例如偏振差分检测法、法拉第调制法、磁场调制法等，其中偏振差分检测法因其具有简单的光路结构，可以有效的抑制激光强度波动引起的共模噪声，因此在AM中得到广泛的应用。采用微制造的碱金属气室和垂直腔面发射激光器促进了AM的部分小型化。然而，差分检测法中使用的传统的折射光学器件，包括偏振分束器和半波片，仍然阻碍了AM的集成。通常，这些折射光学元件依靠沿光传播的相位积累来实现所需的相位调控。例如，传统的偏振分束器由两个具有正交光轴的双折射晶体连接而成。在接触面处，入射光束既被折射又被反射，形成两束互相垂直的线偏振光束，分束器厚度必须大于光斑的直径。因此，使用传统的折射光学元件很难制造出紧凑、低成本、轻便的设备，检测系统的体积大、重量重是不可避免的。此外，差分检测的精度依赖于偏振光学器件的性能，因此需要一种高性能的集成器件来替代传统的折射光学器件实现差分检测。液晶材料以其优异的透光性、高光学双折射和连续梯度指向矢量分布而广为人知，可以轻松实现对电磁波振幅、相位和偏振的调节。近年来，基于液晶的平面光学元件因能够进行几何相位控制而备受关注。与折射光学器件的相位积累不同，平面液晶光学器件通过旋转各向异性的液晶分子来引入突变相变，因此尺寸得到相当大的减小。液晶偏振光栅（LCPG）作为一种标准的平面液晶光学器件，具有出色的偏振分选性能。研究人员已经开发出利用液晶偏振光栅和1/4波片来测量旋光度的方法，证明了该方法具备高精度的检测能力。然而，以往对该方法的应用大多集中测量液体的浓度等方面，使其应用受到了极大的局限性。这里我们首次考虑将其用于原子传感器旋光角检测领域。由于微型AM能够探测飞特斯拉或亚飞特斯拉量级的极其微弱的磁场，需要10-7至10-8rad的角度测量分辨率。因此需要对液晶器件进行额外的增强，以满足AM高精度测量的要求。3. 创新研究
研究人员首先针对检测光波长（795nm）设计并制造了对应的LCPG，制造过程采用激光直写技术。然后对LCPG的衍射和偏振特性进行了实验，如图2（a）所示。通过改变入射光偏振态，可以测得LCPG的圆偏振消光比为3656。与传统的商用偏振分束器相比（消光比1000-3000），LCPG可以获得更好的偏振选择性能。在垂直入射下，LCPG的平均衍射效率可达99%。此外，LCPG对入射角不敏感，在远离垂直方向20°的入射角下，衍射效率仍保持在97%以上，这使该器件得在实际使用时对装配精度的要求更低。LCPG出色的性能为高精度差分检测奠定了基础。![]()
图2 针对LCPG的单项性能测试。（a）测试LCPG衍射和偏振行为的实验装置。（b）从左到右表示在RCP、LP和LCP光入射时，经过LCPG后的衍射图。（c）不同入射角情况下，LCPG的衍射效率曲线。（d）不同椭圆度角的情况下，±1级衍射光功率变化曲线。
为了获得基于该LCPG差分检测方案的所能检测的最小角度，研究人员利用旋光晶体设计了微小旋光角产生装置。如图3（a）所示，给线圈施加驱动电流产生驱动磁场，根据法拉第效应，线偏振光穿过磁光晶体后会产生与驱动电流成正比的旋光角。因此通过求解输出信号与电流之间的关系以及输出信号的噪声电压，根据比例关系可以计算出该方法能够检测的最小可分辨角度为1.48×10-7rad。![]()
图3 基于LCPG差分检测方案的角度分辨率测试。（a）用LCPG测量角度分辨率的实验装置。（b）螺线管中心磁场与线圈驱动电流的曲线。（c）测量输出信号电压与线圈驱动电流的关系。
研究人员又进一步将该检测方案用于双光束AM中，并与传统的基于商用偏振分束器的检测方案进行了比较，实验设置如图4（a）所示。中心波长为795
nm的DBR激光器产生泵浦光束。光束经过线性偏振器和1/4波片后，转变成圆偏振光，沿z轴入射到气室中泵浦碱金属原子。采用另一种DBR激光器产生波长失谐到87Rb的D1线的检测光，沿着气室的x轴入射。分别绘制了两种检测方案下AM的幅频响应曲线以及灵敏度曲线，如图4（b-c）所示。实验结果表明，基于LCPG的检测方案能够带来磁强计响应系数的提升，这源于LCPG的99%的平均衍射效率以及高达3656的圆偏振消光比。此外，通过比较两种方案的长期灵敏度，可以得出新的检测方案不会给AM系统引入额外的噪声。因此基于 LCPG 的AM可以在保持高灵敏度的同时，长期稳定运行。![]()
图4 基于LCPG原子磁强计的性能测试。（a）原子磁强计结构示意图。（b）分别使用PBS和LCPG进行归一化的频率响应曲线。（c）分别使用PBS和LCPG的灵敏度曲线。
4. 应用与展望
研究团队提出利用平面液晶光学器件来代替传统的折射光学器件来检测AM产生的旋光角，利用液晶四分之一波片将旋光角转换为椭圆率角，然后通过检测LCPG的两束衍射光来进行差分检测。该研究首次将高性能圆偏振分束器用于AM的差分检测中，为实现极高灵敏度的微型化AM提供了一种实用的解决方案。未来可对液晶光学器件的几何形状进行自由优化和定制，并将其作为薄膜层集成到碱金属气室壁上，充分发挥液晶光学器件微米级有效厚度的优势，这在高空间分辨率的生物磁成像等领域具备重大的潜在应用。该研究成果以“Ultra-compact and High-precision Differential Detection Method Based on Liquid Crystal Polarization Grating for Miniature Atomic Magnetometer”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Zhibo Cui, Yuhao Wang,
Ying Liu, Mingke Jin, Jie Sun, Yueyang Zhai, Xiangyang Zhou, Zhen Chai，其中Zhibo Cui为第一作者，Zhen Chai为通讯作者。柴真团队隶属于北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院。
