用于脑磁图传感器阵列的四通道光泵磁力计
用于脑磁图传感器阵列的四通道光泵磁力计
研究背景
光抽运磁力仪（Optically Pumped Magnetometer，简称OPM）在自旋交换弛豫自由（SERF）状态下是极为灵敏的磁场传感器，灵敏度能低至0.16 ft/√Hz和0.54 ft/√Hz。OPM基于自旋极化原子与磁场的相互作用，通过光抽运将泵光束的角动量转移到原子（典型情况下是碱金属蒸气），使其自旋极化。自旋极化通过拉莫尔进动与磁场相互作用，通过光学探测自旋极化在探测束传播方向上的投影，可以确定外部磁场。在高原子密度及近零磁场的SERF状态下，由于自旋交换碰撞引起的极化弛豫被强烈抑制，OPM的灵敏度可以显著提升。
近年来，OPM在生物磁学中的应用逐渐受到关注，特别是对人类大脑磁场的测量（脑磁图，Magnetoencephalography，简称MEG）。传统的MEG仪器主要使用超导量子干涉仪（SQUID）进行信号检测，但这种设备的制冷需要液氦，带来了一系列的缺点。相比之下，OPM由于其小型化和轻量级，可以实现头皮上的磁场检测，提高空间分辨率，还能构建穿戴的传感器阵列，允许对运动中的受试者进行扫描。
论文来源
本文由Joonas Iivanainen等七位作者共同完成，分别来自Sandia National Laboratories和University of New Mexico的Center for Quantum Information and Control。本文发表于2024年5月6日的《Optics Express》期刊。
研究内容
本文介绍了作者开发的新的四通道SERF-OPM传感器，并详细描述了其设计改进、实验方法及性能评定。
2. 传感器概述
新的四通道OPM传感器基于先前研究成果（参考文献[25]），采用了结合二色泵/探测方案的一体化光轴设计。新款传感器实现了多个改进，包括降低蒸气室操作温度、改进探测光学组件、减少光功率要求，并在传感器头部设计了新的电磁线圈，提供三轴磁场控制。
2.1 设计改进
新传感器使用圆偏振的795 nm光抽运87Rb原子，在SERF状态下操作，通过光电探测法测量自旋极化的分量，进而探测外部磁场。与之前的设计相比，新的传感器在多个方面做了优化：
- 蒸气室操作温度：由之前的150℃降低至135℃。
- 探测光学组件：改进了探测模块，每个通道独立使用探测光学器件，减少光学串扰，提高精度。
- 电磁线圈设计：新设计的电磁线圈提高了场均匀性和三轴控制能力。
3. 传感器头部线圈设计和实验特征
3.1 线圈设计与仿真
在传感器外壳表面设计了一对沿横向的Bx线圈和By线圈，以及一个纵向的Bz线圈。这些线圈使用了数值流函数和目标场方法进行优化，确保在目标位置产生均匀磁场，并尽量减少临近区域的磁场泄漏。
3.2 实验测量
在安装好线圈后，作者通过多种实验方法测量了线圈效率和均匀性，包括使用自由感应衰减（FID）和Mz模式测量磁场的梯度扩展效应。实验结果表明，优化设计后的线圈在场均匀性和效率上达到了预期目标。
4. 传感器性能评估
新型OPM传感器的性能通过多种方式进行评估，包括磁灵敏度、带宽和噪声源分析等。实验结果标明，新傳感器在噪声、磁灵敏度和共模抑制比方面表现优异，灵敏度在10-44 Hz范围内达到平均12.3 ft/√Hz。
5. 结论
本文介绍的新型四通道SERF-OPM传感器在感测性能和结构设计上做出了诸多改进。尤其是在降低操作温度、减少光功率需求和提高探测光学组件性能方面，显示出显著优势。本文的研究不仅提升了MEG系统的灵敏度和稳定性，还为将来多传感器集成提供了技术基础。未来，作者计划在更大规模的屏蔽室中进一步优化传感器，以实现更高质量的MEG信号记录。
研究意义
本研究中的新型四通道OPM传感器在多个技术参数上表现优异，有望在脑科学研究和临床应用中提供更高分辨率和准确度的磁场检测手段。相比传统的SQUID系统，OPM无需低温制冷、设备轻便且可以灵活应用，尤其适用于移动状态下的研究和检测，未来潜力巨大。