【Microsystems Nanoengineering】利用多功能液晶偏振光栅抑制微型光学泵浦磁力计中的激光功率噪声

【Microsystems Nanoengineering】利用多功能液晶偏振光栅抑制微型光学泵浦磁力计中的激光功率噪声摘要传统单光束光泵磁力仪OPM依赖分立偏振光学元件体积大、装调复杂且易受激光功率噪声限制。本文提出 ** 多功能液晶偏振光栅LCPG** 方案单器件同时实现偏振转换 光束分束功能替代多个传统体光学元件。器件性能795 nm 衍射效率 95%、偏振椭率44.6°对入射偏振、角度、环境温度均具备高鲁棒性。搭建微型 OPM 探头体积仅 4 cm³差分探测模式灵敏度达 8.6 fT/Hz¹ᐟ²相比传统结构提升 28%。该液晶器件兼容规模化低成本制备为芯片级量子传感、生物磁成像提供小型化低噪声新方案。引言光泵磁力仪OPM无液氦低温约束具备超高灵敏度在脑磁图、心磁图等生物磁探测领域极具应用价值。现有单光束 OPM 痛点依赖线偏振片、1/4 波片等分立元件体积大、光路装调严苛、环境鲁棒性差激光功率起伏引入本底噪声制约磁场探测灵敏度超表面纳加工成本高、量产难度大难以工程落地。本文采用潘查拉特南 - 贝里PB相位液晶偏振光栅 LCPG单片集成偏振转换与分束构建差分探测架构抑制激光共模噪声兼顾小型化、高灵敏与可量产性。工作原理与器件设计利用 PB 相位调控液晶分子取向LCPG 可将入射光衍射为 ±1 级左右旋圆偏振光0 级光直通分离。一束圆偏振光进入铷气池作为信号光另一束作为参考光两路光电信号差分有效抑制激光功率共模噪声。选用 Rb 原子 795 nm D1 线泵浦可实现完全原子自旋极化适配 SERF 无自旋弛豫工作模式。图 1 液晶偏振光栅架构与 OPM 工作原理、原子能级泵浦机制LCPG 理论设计与仿真通过琼斯矩阵建模光栅光学响应光栅周期设计 3 μm理论衍射偏转角 30.7°优化液晶层厚度与双折射实现半波相位延迟±1 级理论衍射效率接近 100%高斯光束通过光栅后可稳定分离两束圆偏振光光斑均匀适配原子气池均匀泵浦需求。图 2 LCP 相位分布、光场仿真与实物显微表征器件制备与光学表征采用激光直写光取向工艺制备液晶偏振光栅周期一致性好、膜厚均匀性误差 0.7%。光学测试任意入射偏振态下衍射效率稳定高于 95%±1 级偏振椭率稳定在 ±44.6°偏振态保真度高入射角度 ±10°、20–100 ℃宽温范围内偏振与衍射性能几乎无劣化长期光强与偏振漂移极低具备工程实用稳定性。图 3 LCPG 偏振、衍射效率随入射角度 / 偏振的测试结果图图 4 器件长期偏振与功率稳定性测试微型 OPM 系统实测搭建微型 OPM 探头整体体积仅 4 cm³内置铷气池、加热线圈、双光电探测器。对比三种工作模式传统 OPM灵敏度 12 fT/Hz¹ᐟ²LCPG 单端模式11.7 fT/Hz¹ᐟ²LCPG 差分模式8.6 fT/Hz¹ᐟ²提升 28%三种模式带宽相近~140 Hz满足生物磁成像带宽需求。图 5 微型 OPM 实物、测试光路与频率响应、噪声灵敏度对比结论单片 LCPG 替代多个体偏振器件同时实现偏振转换 光束分束大幅简化光路、缩小体积光栅衍射效率 95%、偏振纯度高角度 / 温度 / 偏振鲁棒性优异适合工程应用基于差分探测架构有效抑制激光功率噪声灵敏度提升 28%液晶工艺成熟可量产、成本低为穿戴式脑磁图、便携式量子磁力仪奠定基础。—免责声明—本公众号旨在传递与分享各领域科研知识、科研资讯所有内容、图片均已注明出处且仅供个人学习、知识记录不作为商业用途。如涉及版权或其他问题请及时联系邮箱xxxgdragonm163.com我们将尽快进行协调处理。原文 DOI10.1038/s41378-026-01297-y原文链接https://www.nature.com/articles/s41378-026-01297-y