[论文解读] A measurement method of transverse light-shift in atomic spin co-magnetometer

Xing Li, Wei Quan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 22被引用 8

一句话总结

本文提出了一种通过探测光强度与横向补偿磁场之间的关系，结合稳态布洛赫方程，测量并最小化K-Rb-21Ne原子自旋共磁力仪中横向光移的方法。通过将探测光波长优化至795.68 nm，横向光移从-0.115 nT降低至-0.039 nT，同时校准系数提高至26.19 V/°/s，并将与光移相关的项从1.113 nT降低至0.431 nT。

ABSTRACT

We disclose a method to obtain the transverse light-shift along the probe light of a single-axis alkali metal-noble gas co-magnetometer. The relationship between transverse compensating field and light-shift is deduced through the steady-state solution of Bloch equations. The variety of probe light intensity is used to obtain the residual magnetic field, and step modulation tests are applied to acquire the total spin-relaxation rate of electron spins and self-compensation point. Finally, the transverse light-shift is reduced from -0.115 nT to -0.039 nT by optimizing the probe light wavelength, and the value of the calibration coefficient can be increased simultaneously.

研究动机与目标

• 开发一种测量原子自旋共磁力仪中由非理想探测光偏振引起的横向光移的方法。
• 解决以往被忽视的横向光移对单轴共磁力仪测量精度的影响。
• 通过优化探测光波长，最小化光移同时提升校准系数。
• 通过抑制光移引起的系统误差，提高旋转速率传感的精度。

提出的方法

• 该方法利用布洛赫方程的稳态解，将横向光移（Lx）与残余磁场（By）和补偿磁场（Bcy）相关联。
• 通过Bcy与探测光强度之间线性拟合的截距，提取残余磁场By。
• 通过拟合δBz作为函数的阶跃调制信号，确定总电子自旋弛豫速率（Rtot）和自补偿点（Bc）。
• 使用公式（6）计算横向光移：Lx = (Rtot / γe) * (Bcy + By) / Bc，实现定量校正。
• 模拟并实验验证了波长相关的光移，优化波长为795.68 nm。
• 在光移降低的同时，平行测量并最大化校准系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有椭圆偏振的现实探测光束条件下，如何测量K-Rb-21Ne共磁力仪中的横向光移？
• RQ2 在存在光移的情况下，探测光强度、横向补偿磁场与残余磁场之间存在何种定量关系？
• RQ3 探测光波长如何影响横向光移的大小与行为？
• RQ4 是否可以通过波长优化将横向光移最小化，同时不降低校准系数？
• RQ5 在实际共磁力仪设置中，光移相关的系统误差可被抑制到何种程度？

主要发现

• 通过将探测光波长优化至795.68 nm，横向光移从-0.115 nT降低至-0.039 nT。
• 与光移相关的项（Rtot / γe） * (Bcy + By) / Bc 从1.113 nT降低至0.431 nT，显著抑制了系统误差。
• 在最佳波长下，共磁力仪的校准系数提高至26.19 V/°/s，表明信号响应增强。
• 光移与波长的关系呈洛伦兹分布，795.6 nm附近效应最小。
• 在795.68 nm以上波长范围内，光移基本保持恒定，而校准系数逐渐下降。
• 该方法实现了对横向光移的精确测量与有效抑制，显著提升了旋转速率传感的精度。