Single-Beam All-Optical Nonzero-Field Magnetometric Sensor for Magnetoencephalography Applications

Abstract

We present a method for measuring the magnetic field that allows hyperfine and Zeeman optical pumping, excitation and detection of magnetic resonance by means of a single laser beam with timemodulated ellipticity. This improvement allows us to significantly simplify the Bell-Bloom magnetometric scheme, while retaining its sensitivity. The method does not require the use of radio frequency fields, which is essential when creating arrays of sensors. The results of experimental studies demonstrate the efficiency of the proposed method and its potential applicability in most challenging magnetoencephalographic tasks.

Level-crossing resonances on open atomic transitions in a buffered Cs vapor cell: Linewidth narrowing, high contrast and applications to atomic magnetometry

“…The cell was heated to a relatively low temperature of 78 • C. Basing on the provided contrast and linewidth measured values, the authors deduced a picotesla sensitivity of their technique. Another simple and efficient scheme with time-modulated ellipticity of light wave was proposed in a recent study using a 8×8×8 mm 3 Cs vapor cell [40]. The resonant circular component of the light was used for pumping the atoms into a so-called "stretch" Zeeman state, while the linear one was used to measure optical rotation induced by a circular birefringence of the medium owing to an off-resonant interaction with the pumped atoms.…”

“…Obviously, such a scheme with only one beam is much more attractive for creating a miniature sensor. Besides, the scheme provides an additional possibility for differential observation of the pump and probe wave transmission signals with the help of a balanced photodetector, suppressing some types of noise similarly to schemes with a polarization rotation [17,37,40].…”

Оптический Магнитометрический Датчик Для Магнитоэнцефалографического Комплекса

“…Одновременно с появлением оптических датчиков SERF [1], способных работать только в " нулевом" поле, т. е. в магнитоизолированных комнатах, начался процесс поиска решений, позволяющих компактизировать датчики ненулевого поля при сохранении их чувствительности, что позволило бы резко снизить требования к подавлению внешнего МП и его пространственных градиентов [6,8,9]. В частности, в [10] нами была предложена схема датчика ненулевого поля на щелочных атомах, удовлетворяющего требованиями МЭГ по всем основным параметрам (чувствительности, быстродействию и способности функционировать, не создавая радиочастотных помех соседним датчикам) и в то же время отличающегося предельной простотой и компактностью. Это преимущество обусловлено тем, что для накачки и детектирования МР было предложено использовать один луч с меняющейся во времени эллиптичностью: от левой эллиптической поляризации к линейной и далее к правой эллиптической.…”

“…В многочисленных однолучевых схемах, предлагавшихся ранее (см., например, [14][15][16]), простота конструкции достигалась за счет ухудшающих чувствительность компромиссов, таких как объединение лучей накачки и детектирования в один луч с некими средними параметрами. В схеме [10] процессы накачки и детектирования разделены по времени в соответствии с фазами прецессии, и параметры луча в каждый момент времени оптимальны для текущего процесса, в результате чего оба процесса осуществляются с максимальной эффективностью.…”

“…Основным недостатком предложенной схемы, как было отмечено в [10], является сложность передачи излучения с модулированной эллиптичностью по оптоволокну, что особенно существенно в комплексах МЭГ, в которых один мощный лазер используется для оптической накачки массива датчиков, к каждому из которых излучение передается по отдельному оптоволокну (здесь необходимо пояснить, что датчики ненулевого поля на ячейках с щелочными атомами и буферным газом для достижения необходимой чувствительности, как правило, требуют значительных -единицы и десятки милливатт -мощностей излучения, и поэтому в них не удается интегрировать маломощные VCSEL-лазеры, как это сделано в датчиках нулевого поля SERF [17]). Использование общего источника накачки позволяет не только существенно упростить и удешевить схему, но и снизить технические шумы за счет вычитания общего шума накачки.…”