王 宇，趙惟玉，康翔宇，李 筠，高秀敏，李 陽(yáng)

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

自中國(guó)古代以航海為目的發(fā)明指南針以來(lái)，磁場(chǎng)的探測(cè)與測(cè)量便成為人類了解物理世界的主要方法之一，對(duì)人類文明具有重要意義。基于原子自旋效應(yīng)的超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量裝置是當(dāng)代原子物理、矢量光學(xué)、精密儀器等前沿學(xué)科交叉領(lǐng)域發(fā)展融合的產(chǎn)物。原子磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)伴隨著量子傳感、信息、儀器儀表等技術(shù)發(fā)展而來(lái)，是新一代超高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。弱磁檢測(cè)磁強(qiáng)計(jì)主要包括磁通門磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID）和原子磁強(qiáng)計(jì)等。磁通門磁強(qiáng)計(jì)受限于線圈的幾何結(jié)構(gòu)，極限分辨率一般只能達(dá)到納特斯拉量級(jí)；SQUID因其高靈敏度廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但由于其需要液氮杜瓦瓶來(lái)保持低溫，導(dǎo)致磁強(qiáng)計(jì)體積增大、不易于小型化且成本昂貴；原子磁強(qiáng)計(jì)是一種用于探測(cè)外磁場(chǎng)作用下堿金屬蒸氣極化變化的光學(xué)儀器，可在較小的磁屏蔽室下工作，且能夠利用許多常見(jiàn)的探測(cè)器元件，以相對(duì)較低的成本在多通道配置中工作，形成梯度檢測(cè)以提高靈敏度。

無(wú)自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF）原子磁強(qiáng)計(jì)是一種運(yùn)行在SERF態(tài)下的新型堿金屬原子磁強(qiáng)計(jì)，靈敏度不受自旋交換弛豫的影響，是目前最敏感的傳感器，并且具有非低溫操作、易于小型化、高空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)。1957年，Bell等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Dehmelt[2]所提出的磁場(chǎng)強(qiáng)度可由觀察堿原子自旋進(jìn)動(dòng)來(lái)確定的理論。Happer等[3-4]于1973年發(fā)現(xiàn)當(dāng)自旋交換率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，自旋交換弛豫會(huì)被抑制，并在高原子密度、小尺寸氣室的堿蒸氣中觀測(cè)到200Hz的磁共振線，隨后于1977年推導(dǎo)出這一現(xiàn)象的理論解釋。自2002年普林斯頓大學(xué)科研人員[5-6]首次實(shí)現(xiàn)原子的無(wú)自旋交換弛豫(SERF)態(tài)，并于2003年實(shí)現(xiàn)靈敏度足以測(cè)量腦磁場(chǎng)信號(hào)的SERF磁強(qiáng)計(jì)后，世界各地許多科研團(tuán)隊(duì)都致力于SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的研究。

1 SERF原子磁強(qiáng)計(jì)工作原理

SERF原子磁強(qiáng)計(jì)工作原理如圖1所示，一束圓偏振泵浦光照射進(jìn)堿金屬原子氣室后，堿金屬原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)[7]，堿金屬原子產(chǎn)生自旋極化。

圖1 SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of SERF atomic magnetometer

在外界弱磁場(chǎng)的作用下，堿金屬原子會(huì)發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)[8-9]，另一束線偏振探測(cè)光垂直于泵浦光照射進(jìn)堿金屬氣室，用于檢測(cè)原子自旋的拉莫爾進(jìn)動(dòng)，外界磁場(chǎng)強(qiáng)度與拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率之間的關(guān)系為

式中： ω 為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率；B為外界磁場(chǎng)強(qiáng)度； ‖ ‖ 表示范數(shù)； γ 為堿原子磁旋比。原子磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)中自旋極化原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率就可間接得到磁場(chǎng)的大小，從而達(dá)到了磁場(chǎng)測(cè)量的目的。

原子磁強(qiáng)計(jì)基本靈敏度由散粒噪聲 δB限制，其表達(dá)式為

式中：n為原子數(shù)密度；T2為橫向自旋弛豫時(shí)間；V為測(cè)量體積；t為測(cè)量時(shí)間。

在自旋進(jìn)動(dòng)足夠慢的SERF體系中，即ω/RSE?1 ，其中 ω 是拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，RSE是自旋交換率，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)中原子自旋的動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以用Bloch方程來(lái)描述[8]，即

式中：S為抽運(yùn)光束的光子極化率；q為減速因子； γe為電子旋磁比；B為外加磁場(chǎng)矢量；Rp為光抽運(yùn)速率；s為電子自旋矢量；z為抽運(yùn)光方向的單位矢量。Rrel為除光抽運(yùn)速率外的所有退偏振速率之和。

在無(wú)磁場(chǎng)干擾的理想條件下，可以得到平衡自旋極化S0，其表達(dá)式為[10]

此外，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程，引入一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù) β ，其表達(dá)式為

當(dāng)磁場(chǎng)變化緩慢時(shí)，可將 dS/dt設(shè)為0，即可求得方程的穩(wěn)態(tài)解為

式中，Bx、By、Bz和Sx、Sy、Sz分別表示x軸、y軸和z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度和原子極化率。通過(guò)該式可以得到不同方向原子自旋極化率與磁場(chǎng)之間的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)中使用原子磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)三個(gè)方向的原子自旋極化率即可測(cè)得磁場(chǎng)。

2 研究進(jìn)展

對(duì)于SERF原子磁強(qiáng)計(jì)，通常需要較高的溫度來(lái)保證高飽和蒸氣密度以實(shí)現(xiàn)SERF態(tài)，以及盡可能小的溫度梯度來(lái)使原子極化更為均勻。堿金屬氣室是超高靈敏磁場(chǎng)和慣性測(cè)量的靈敏核心，原子源種類決定了測(cè)量靈敏度的極限。SERF磁強(qiáng)計(jì)氣室內(nèi)的堿金屬原子通常為鉀原子、銣原子、銫原子或者其雜化構(gòu)成。本文根據(jù)堿金屬蒸氣源對(duì)SERF磁強(qiáng)計(jì)的研究進(jìn)行分類。

2.1 鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)

普林斯頓大學(xué)前期主要針對(duì)鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行研究。Allred等[5]在2002年將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到190 ℃，首次實(shí)現(xiàn)SERF態(tài)，磁強(qiáng)計(jì)靈敏度為在生物磁成像方面很有潛力；2003年，Kominis等[6]將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到180 ℃，測(cè)量體積為0.3 c m3，靈敏度為Dang等[11]在2010年將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到200 ℃，測(cè)量體積為0.45 c m3，靈敏度為該磁強(qiáng)計(jì)可廣泛應(yīng)用于探索古地磁、磁性納米粒子的檢測(cè)[12]、核磁共振[13]、和弱高溫鐵磁排序[14]等領(lǐng)域，且在對(duì)弱磁場(chǎng)巖石樣品測(cè)量時(shí)，靈敏度優(yōu)于SQUID磁強(qiáng)計(jì)。

Gusarov等[15-17]于2009年將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到180 ℃，利用光電二極管陣列對(duì)垂直于探測(cè)激光束的氣室進(jìn)行逐層抽運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)的測(cè)量，測(cè)量體積為2 c m3，靈敏度為于2018年采用析因設(shè)計(jì)技術(shù)，提高了鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)單氣室內(nèi)磁場(chǎng)分布的測(cè)量精度，適用于測(cè)量電流磁偶極子形成的交流磁場(chǎng)和靜電磁場(chǎng)；于2019年優(yōu)化了多通道校準(zhǔn)技術(shù)和信號(hào)處理方法，在存在殘余磁場(chǎng)的情況下精確測(cè)量三維磁場(chǎng)分布，并可進(jìn)行多位置測(cè)量。2015年，日本京都大學(xué)Kamada等[18]將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到180 ℃，通過(guò)一個(gè)探測(cè)光束的磁光旋轉(zhuǎn)直接獲得氣室內(nèi)兩個(gè)不同測(cè)量區(qū)域的差分輸出，降低環(huán)境磁噪聲，提高了SERF態(tài)光泵梯度儀的靈敏度和信噪比。

2018年，北京航空航天大學(xué)劉學(xué)靜等[19]將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到200 ℃，鉀原子數(shù)密度約為 7 .14×1016cm?3，利用貝爾布盧姆磁強(qiáng)計(jì)[2]中采用的偏振調(diào)制技術(shù)來(lái)確定SERF線寬，用液晶調(diào)制器來(lái)調(diào)制泵浦光的偏振，減小了獲取橫向弛豫的擬合誤差。2019年，趙俊鵬等[20]通過(guò)最大化零場(chǎng)諧振信號(hào)的一階微分值來(lái)實(shí)現(xiàn)沿泵浦方向和探頭方向的磁場(chǎng)同步補(bǔ)償，使用磁強(qiáng)計(jì)的直流響應(yīng)補(bǔ)償垂直于泵-探頭平面的磁場(chǎng)，為獲取最佳補(bǔ)償分辨率，其將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到200 ℃，最終對(duì)探頭、泵浦和垂直于泵浦-探頭平面方向的補(bǔ)償分辨率分別為9 pT，7 pT和0.05 pT。隨后，其又將鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)[21]加熱到170 ℃，鉀原子數(shù)密度約為 3 .7×1013cm?3，并從旋進(jìn)頻率的慢化因子中提取自旋極化，利用瞬態(tài)響應(yīng)精確測(cè)量了磁強(qiáng)計(jì)自旋極化及分布，不受氣室光學(xué)深度影響。2021年，Xing等[22]提出了一種基于噪聲分離的探頭特征模型，并在鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了主要噪聲類型隨信號(hào)頻率而變化，闡明了噪聲源成分，使抑制過(guò)程更有針對(duì)性以提高靈敏度，可用于原子磁強(qiáng)計(jì)的調(diào)制、微分或吸收探測(cè)系統(tǒng)。

2.2 銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校學(xué)者[9][23-24]致力于研究銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)，該校學(xué)者于2006、2012、2019年將銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到188 ℃、140-180 ℃、175 ℃，分別達(dá)到的靈敏度。2010年，在桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[25]，銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)被加熱到190 ℃，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于的靈敏度。同年，在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)，銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)[26]被加熱到200 ℃，實(shí)現(xiàn)了的靈敏度。2014年，在韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院(KRISS)，一臺(tái)多通道銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)[27]被加熱到180 ℃，實(shí)現(xiàn)了的梯度靈敏度。2018年，英國(guó)諾丁漢大學(xué)Boto等人[28]將銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到150 ℃，達(dá)到的靈敏度。

2017年，東南大學(xué)Wu等[29]將銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱至140 ℃，在緩沖壓力為0.2、0.88、2.35 amg時(shí)，磁強(qiáng)計(jì)分別達(dá)到900、500和的靈敏度，證明了高壓緩沖氣體可有效減少因氣室尺寸變小而產(chǎn)生的壁面碰撞。2018年，東南大學(xué)Ji等[30]設(shè)將采用芯片級(jí)球型氣室的銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到150 ℃后，分別在三種不同壓力緩沖氣體下測(cè)量該球型氣室中銣原子的計(jì)劃壽命，測(cè)量結(jié)果均優(yōu)于平面氣室，實(shí)現(xiàn)了的靈敏度。2019年，吉林大學(xué)Zhang等[31]通過(guò)阻尼振蕩曲線擬合測(cè)得的頻率和磁場(chǎng)增量，測(cè)量弱極化堿金屬蒸氣的旋磁比，快速識(shí)別SERF磁強(qiáng)計(jì)中銣原子的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的靈敏度，為在便攜式平臺(tái)上構(gòu)建超靈敏原子磁強(qiáng)計(jì)提供了可能。2020年，北京航空航天大學(xué)FANG等[32]為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高空間分辨率和超高磁場(chǎng)靈敏度，提出了一種將數(shù)字微鏡器件作為空間光調(diào)制器的25通道銣原子SERF原子磁強(qiáng)計(jì)，將其加熱到160 ℃，平均靈敏度約為，適用于磁性顯微鏡技術(shù)中觀察材料的微特性。同年，東南大學(xué)Liu等[33]設(shè)計(jì)了一種基于MEMS的銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了弱磁信號(hào)的測(cè)量，為磁強(qiáng)計(jì)小型化研究做出貢獻(xiàn)。此外，北京未磁科技有限公司推出以銣原子同位素作為傳感系綜的商用多通道零場(chǎng)原子磁力計(jì)，靈敏度為可應(yīng)用于生物醫(yī)療、地球物理、安全檢測(cè)、軍事國(guó)防等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量。

2.3 銫原子SERF磁強(qiáng)計(jì)

2008年，加州大學(xué)伯克利分校的一種銫原子SERF磁強(qiáng)計(jì)[34]被加熱到103 ℃，達(dá)到的靈敏度，銫原子蒸氣濃度約為 1.7×1013cm?3；2014年，該校Patton等[35]介紹了一種去除技術(shù)噪聲后靈敏度可達(dá)的全光法銫原子磁強(qiáng)計(jì)，其通過(guò)有效地沿正交軸調(diào)制磁場(chǎng)、解調(diào)磁共振頻率來(lái)增加矢量能力，利用蒸氣室中的非線性磁光旋轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向。2014年北京航空航天大學(xué)房建成等[36-37]將銫原子SERF梯度儀加熱到120 ℃，通過(guò)附加的法拉第旋轉(zhuǎn)調(diào)制器抑制探測(cè)光束強(qiáng)度噪聲與熱噪聲，采用雙光束差來(lái)消除共模非磁性技術(shù)噪聲，實(shí)現(xiàn)了的梯度靈敏度；并于2015年將銫原子SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到85 ℃，實(shí)現(xiàn)了的單通道靈敏度。2016年，意大利錫耶納大學(xué)Bevilacqua等[38]研發(fā)了一種靈敏度為的多通道銫原子SERF磁強(qiáng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)氣室加熱到45 ℃后，銫原子蒸氣密度開(kāi)始增加。該磁強(qiáng)計(jì)能夠在探測(cè)光束橫截面上進(jìn)行偏振測(cè)量，使在不同基線和順序上進(jìn)行差分測(cè)量和梯度檢測(cè)成為可能。2017年，北京大學(xué)科研人員[39]將一銫原子磁強(qiáng)計(jì)加熱到120 ℃，實(shí)現(xiàn)的靈敏度，其中銫原子密度約為 5×1013cm?3，該磁強(qiáng)計(jì)可用于探測(cè)人類神經(jīng)元磁 場(chǎng)。

2.4 鉀-銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)

氣室中含有兩種或兩種以上的堿原子的磁強(qiáng)計(jì)稱為混合抽運(yùn)磁強(qiáng)計(jì)，該磁強(qiáng)計(jì)利用自旋交換光抽運(yùn)[40]實(shí)現(xiàn)電子自旋極化，即泵浦光偏振一種原子，該原子極化后再對(duì)另外一種原子進(jìn)行復(fù)極化，具有減小光深和均勻自旋極化[41]的優(yōu)點(diǎn)。目前，關(guān)于混合抽運(yùn)SERF磁強(qiáng)計(jì)的研究主要為鉀-銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)，其氣室內(nèi)的堿金屬密度比是磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

普林斯頓大學(xué)的Romails等[42]于2010年偶然發(fā)現(xiàn)被微量銣原子污染的鉀原子泵浦的靈敏度高于純凈鉀原子，首次演示了混合泵式原子磁強(qiáng)計(jì)。日本京都大學(xué)的Ito等[43-45]于2011-2013年針對(duì)鉀-銣原子混合抽運(yùn)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，確定了鉀-銣雜化原子的泵浦效率大于單個(gè)原子，泵浦鉀原子探測(cè)銣原子的敏感度最高，實(shí)現(xiàn)了的超高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)，并且應(yīng)用速率方程對(duì)混合磁強(qiáng)計(jì)的性質(zhì)理論研究后得出當(dāng)鉀原子與銣原子密度比為1：200時(shí)，能夠獲得最佳的靈敏度。2016年，Ito等[46]在考慮了自旋極化空間分布的影響時(shí)研究了鉀-銣原子 Bloch方程，進(jìn)一步確定鉀原子與銣原子的最佳密度比為1∶400，其中鉀原子密度為3× 1 019m?3，其可使輸出信號(hào)最大化，提高了空間均勻性。

2014年，北京航空航天大學(xué)[47]]鉀-銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)在加熱溫度為195 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)了的梯度靈敏度。2018年，Li等[48]將鉀-銣原子雙軸SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到180 ℃，利用傳遞函數(shù)分析法研究其頻率響應(yīng)與動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)磁場(chǎng)優(yōu)化后靈敏度為；Han 等[49]將鉀-銣原子密度比為1∶180的全光法SERF原子磁強(qiáng)計(jì)加熱到200 ℃，提出檢測(cè)原子拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率的聲光調(diào)制檢測(cè)法，通過(guò)在大光斑上選取幾個(gè)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大探測(cè)光束的尺寸，實(shí)現(xiàn)了的磁場(chǎng)靈敏度，適用于小型多通道原子磁強(qiáng)計(jì)；李陽(yáng)等[50]將鉀-銣原子密度比為1∶180的SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到210 ℃，采用左右圓偏振光磁補(bǔ)償法快速確定交流位移零點(diǎn)，使用混合光泵浦法消除了交流位移。隨后其又在研究中[51]發(fā)現(xiàn)鉀-銣混合氣室的堿金屬最佳密度比為1∶277，并通過(guò)調(diào)整配比優(yōu)化泵浦激光參數(shù)使?磁強(qiáng)計(jì)靈敏度達(dá)到。2019年，QUAN等[52]將鉀-銣原子密度比為1∶70的SERF磁強(qiáng)計(jì)加熱到200 ℃，并用多基因遺傳規(guī)劃算法對(duì)其噪聲建模后進(jìn)行降噪，顯著提高了磁強(qiáng)計(jì)在低頻頻段的靈敏度，從而提高磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)精度。

2.5 小結(jié)

堿金屬原子飽和蒸氣壓各不相同，因此其所需加熱溫度不同。表1列出了上述文章中較有代表性的一些不同堿金屬原子的加熱溫度和實(shí)測(cè)靈敏度值。由表1可以看出，在相同密度下，鉀原子所需加熱溫度較高，銫原子所需加熱溫度較低，因此銫原子SERF磁強(qiáng)計(jì)更適用于低溫應(yīng)用領(lǐng)域。在單一堿金屬原子磁強(qiáng)計(jì)中，基于鉀原子的SERF磁強(qiáng)計(jì)靈敏度最高，其次是銣原子與銫原子。在混合抽運(yùn)磁強(qiáng)計(jì)中，主要為關(guān)于鉀-銣原子混合抽運(yùn)SERF磁強(qiáng)計(jì)的研究，并已實(shí)現(xiàn)極高靈敏度，展現(xiàn)出其實(shí)用價(jià)值與優(yōu)良前景。

表1 不同堿金屬原子的加熱溫度及其實(shí)測(cè)靈敏度Tab.1 Heat temperature and measured sensitivity of different alkali metal atoms

3 應(yīng)用前景

SERF原子磁強(qiáng)計(jì)具有較高的靈敏度，對(duì)超高精度磁場(chǎng)測(cè)量具有重要意義，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、古地磁探索[10]、航空磁探測(cè)[31]、宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、探測(cè)類磁場(chǎng)效應(yīng)[53]等領(lǐng)域。其中，宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)指通過(guò)核磁共振技術(shù)測(cè)量由軸子或軸子樣粒子暗物質(zhì)引起的核自旋振蕩扭矩，SERF磁強(qiáng)計(jì)因在低頻區(qū)具有高靈敏度而在該領(lǐng)域十分有競(jìng)爭(zhēng)力。2017年，王濤等[54]將SERF原子磁強(qiáng)計(jì)引入到宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)使用超導(dǎo)磁通變壓器有效地消除大磁場(chǎng)以保證其SERF態(tài)，該磁強(qiáng)計(jì)靈敏度約為可用于宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的核磁共振檢測(cè)。此外，在SERF態(tài)下工作的核自旋共磁強(qiáng)計(jì)[55-56]具備探測(cè)慣性旋轉(zhuǎn)和抑制環(huán)境磁場(chǎng)干擾的能力，在導(dǎo)航領(lǐng)域前景優(yōu)良。在SERF磁強(qiáng)計(jì)的眾多應(yīng)用中，最具潛力的是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行生物磁場(chǎng)測(cè)量，下面將詳盡描述其在該領(lǐng)域的研究情況。

SERF磁強(qiáng)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)中主要應(yīng)用于心磁圖（MCG）和腦磁圖（MEG）。心磁圖是研究心臟生物活性的重要手段，通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)記錄心臟活動(dòng)引起的弱磁場(chǎng)變化來(lái)可視化心肌活動(dòng)，是一種無(wú)接觸、無(wú)創(chuàng)的成像技術(shù)。腦磁圖是一種通過(guò)測(cè)量頭皮神經(jīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人腦的電生理直接成像的腦功能成像技術(shù)。通常使用超導(dǎo)量子干涉儀檢測(cè)心臟和腦部弱磁信號(hào)，但其必須安裝在液氮杜瓦瓶中，成本昂貴、體積龐大。測(cè)量時(shí)需真空空間[28]將磁強(qiáng)計(jì)與頭皮分隔開(kāi)，會(huì)因個(gè)體差異性而影響測(cè)量效果，還限制了嬰兒及無(wú)法控制自己行為的特殊患者進(jìn)行檢測(cè)。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)在實(shí)現(xiàn)超高精度磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)可以規(guī)避以上問(wèn)題，正在成為磁成像領(lǐng)域的有力工具，在生物磁場(chǎng)測(cè)量中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2003年，Kominis等[6]通過(guò)簡(jiǎn)單的多通道操作成功獲取了腦磁場(chǎng)信號(hào)，使個(gè)體大腦皮層模塊的非侵入性研究成為了可能。SERF磁強(qiáng)計(jì)于2006年左右達(dá)到與超導(dǎo)量子干涉儀相當(dāng)?shù)撵`敏度和空間分辨率，普林斯頓大學(xué)Xia等[57]使用鉀原子SERF磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)并繪制聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的腦磁場(chǎng)，采用線性光電探測(cè)陣列獲得六通道腦信號(hào)，其梯度靈敏度達(dá)到該磁強(qiáng)計(jì)亦可應(yīng)用于心磁圖等生物磁測(cè)量。2012年，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Wyllie 等[23]采用每個(gè)磁強(qiáng)計(jì)可獨(dú)立定位的四通道SERF原子磁強(qiáng)計(jì)成功獲得成人心磁圖。該校學(xué)者于2019年[27]通過(guò)在泵浦方向上施加一個(gè)小直流偏置場(chǎng)和一個(gè)梳狀流π脈沖實(shí)現(xiàn)了一種新型SERF矢量磁強(qiáng)計(jì)，抑制了1/f探針噪聲，能夠在兩個(gè)方向進(jìn)行同步檢測(cè)，使多個(gè)傳感器進(jìn)行精確梯度測(cè)量成為可能，尤其適用于快速心磁圖等生物磁學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。2020年，中國(guó)科學(xué)院張樹(shù)林和曹寧[58]利用兩個(gè)光泵磁強(qiáng)計(jì)在SERF態(tài)下構(gòu)造了一個(gè)合成梯度儀，分別以兩個(gè)獨(dú)立的磁強(qiáng)計(jì)作為信號(hào)傳感器和參考傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)梯度測(cè)量，有效地抑制殘留的環(huán)境場(chǎng)，達(dá)到了小于的靈敏度，成功測(cè)量了MCG信號(hào)。

腦磁場(chǎng)比心磁場(chǎng)的磁信號(hào)要弱100倍左右，所以檢測(cè)起來(lái)將會(huì)更有挑戰(zhàn)性，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在該研究領(lǐng)域成果頗多。在2010年，Johnson等[25]使用光纖耦合的銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量人腦磁場(chǎng)，該磁強(qiáng)計(jì)的泵浦與檢測(cè)光束參數(shù)可通過(guò)獨(dú)特的雙色泵浦探測(cè)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，成功探測(cè)到了正中神經(jīng)和聽(tīng)覺(jué)刺激的腦磁響應(yīng)信號(hào)。2016年，Colombo等[59]研究了一種采用無(wú)源衍射光學(xué)元件的四通道光泵浦原子磁強(qiáng)計(jì)，無(wú)源衍射光學(xué)元件將一束入射激光分為四束，簡(jiǎn)化光學(xué)組件的對(duì)準(zhǔn)，向每個(gè)一階光斑提供近似相同的激光功率，使各通道磁場(chǎng)均勻性增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了小于的梯度靈敏度，適用于腦磁圖領(lǐng)[60]域。2017年，Borna等 開(kāi)發(fā)了一種由20光泵磁強(qiáng)計(jì)通道在SERF態(tài)下探測(cè)人類腦磁場(chǎng)的腦磁圖系統(tǒng)，通過(guò)在平均誘發(fā)波形中識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)峰，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的腦磁信號(hào)的高質(zhì)量記錄，為全頭覆蓋的更多通道SERF磁強(qiáng)計(jì)陣列的發(fā)展提供了可能。該團(tuán)隊(duì)[61]于2019年研制了一種用于檢測(cè)任意電流分布產(chǎn)生的磁場(chǎng)圖的脈沖光泵SERF磁強(qiáng)計(jì)陣列，該陣列具有24個(gè)OPM通道，靈敏度為，成功重建了平面二維線圈的電流密度圖像，展現(xiàn)了光泵式SERF磁強(qiáng)計(jì)在生物磁成像領(lǐng)域的出色潛力。

2014年，韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院Kim等[27]在一種幾何結(jié)構(gòu)中測(cè)量徑向磁場(chǎng)作為距離源的函數(shù)，在另一種幾何結(jié)構(gòu)使用相同的傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的兩個(gè)切向分量，優(yōu)化了MEG檢測(cè)多通道系統(tǒng)，該磁強(qiáng)計(jì)梯度靈敏度可達(dá)，成功地測(cè)量和定位人類大腦活動(dòng)的聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)場(chǎng)。2017年，北京大學(xué)Sheng等[39]使用一種基于銫(Cs)的泵浦-探針雙光束結(jié)構(gòu)SERF磁強(qiáng)計(jì)來(lái)探測(cè)人類神經(jīng)元磁場(chǎng)，靈敏度約為，展現(xiàn)了其在腦磁圖應(yīng)用中的可能性。2018年，浙江工業(yè)大學(xué)黃圣潔等[62]設(shè)計(jì)了高靈敏度非低溫銣原子SERF磁強(qiáng)計(jì)，其靈敏度在15 Hz處達(dá)到了，清楚地檢測(cè)到在睜眼與閉眼誘發(fā)時(shí)大腦磁場(chǎng)的微小差異，有利于實(shí)現(xiàn)小型化的全頭腦磁圖傳感器陣列。同年，該高校Zhang等[63]開(kāi)發(fā)了一種基于單個(gè)氣室的小型多通道原子磁強(qiáng)計(jì)，每個(gè)通道均可實(shí)現(xiàn)的靈敏度，可清晰的觀察到聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)的反應(yīng)，有實(shí)現(xiàn)特定大腦區(qū)域的超精細(xì)功能成像的潛力。英國(guó)諾丁漢大學(xué)Boto等[28]使用美國(guó)Quspin公司出品的商用多通道光泵式SERF磁強(qiáng)計(jì)陣列進(jìn)行腦磁探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)了人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的腦磁測(cè)量，展示了可穿戴神經(jīng)成像準(zhǔn)確評(píng)估大腦功能的能力。2019年，中國(guó)科學(xué)院和云南大學(xué)合作研制了一種微型四通道光泵式SERF原子磁強(qiáng)計(jì)[64]，在每個(gè)通道都觀測(cè)到穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位反應(yīng)，靈敏度均優(yōu)于，其高分辨率足夠MEG應(yīng)用。隨后，該團(tuán)隊(duì)杜鵬程等[65]用該磁強(qiáng)計(jì)對(duì)健康受試者的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)信號(hào)的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，梯度靈敏度為，證明其在生物磁場(chǎng)測(cè)量和腦機(jī)接口中應(yīng)用潛力巨大。2020年，波蘭華沙理工大學(xué)科研人員[66]為美國(guó)Quspin公司零場(chǎng)光泵式SERF磁強(qiáng)計(jì)(Gen-1)設(shè)計(jì)了一套基于方形亥姆霍茲線圈的低成本三軸補(bǔ)償系統(tǒng)，減少了磁屏蔽室內(nèi)的靜態(tài)環(huán)境場(chǎng)，提升了磁強(qiáng)計(jì)性能，該系統(tǒng)適用于人體生物磁場(chǎng)測(cè)量。

4 結(jié) 論

綜上所述，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)在技術(shù)上的研究已較為成熟，近幾年來(lái)主要轉(zhuǎn)向針對(duì)于應(yīng)用方向的研究，并且在諸多領(lǐng)域都取得豐碩的研究成果，與腦科學(xué)的結(jié)合已成為重要發(fā)展方向。其中，關(guān)于SERF原子磁強(qiáng)計(jì)小型化的工作在科研和產(chǎn)業(yè)化兩方面都有很大進(jìn)展，多通道SERF磁強(qiáng)計(jì)在生物磁場(chǎng)測(cè)量上的優(yōu)質(zhì)潛力更是有目共睹，尤其是在心磁圖與腦磁圖方面，使非侵入性的心臟與腦部檢測(cè)有了突破性進(jìn)展。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)生物醫(yī)學(xué)，地磁勘探、航空探測(cè)、磁性納米粒子檢測(cè)、宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等眾多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。

目前，SERF磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度尚未達(dá)到極限，小型化SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度仍有提升空間，盡管其已實(shí)現(xiàn)了極高靈敏度，但相比于實(shí)驗(yàn)室大裝置SERF磁強(qiáng)計(jì)來(lái)說(shuō)還有一定差距。其次，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的成本還有降低空間，基于MEMS的氣室研究將進(jìn)一步降低其氣室成本，以便于更好地進(jìn)行腦科學(xué)等相關(guān)應(yīng)用的研究，促進(jìn)其發(fā)展。此外，SERF原子磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用時(shí)基本上仍需要處在無(wú)磁環(huán)境的屏蔽房?jī)?nèi)，因此解決其在地磁環(huán)境下的應(yīng)用也很重要，這將使其擴(kuò)展更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如磁異常探測(cè)、軍事反潛等。