Photonics Research | 磁强计技术噪声抑制新手段：弱值放大技术在无自旋交换弛豫原子磁场测量中的应用

Photonics Research 2026年第2期推荐论文：

Qian Cao, Liang Xu, Ziqian Yue, Jianqi Yang, Yueyang Zhai, "Inverse weak measurement in a SERF magnetometer," Photonics Res. 14, 544 (2026) 

无自旋交换弛豫（Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF）原子磁强计是一类超高灵敏磁场传感器，在量子精密测量领域拥有重要地位。凭借对极弱磁场的超高灵敏探测能力，SERF磁强计不仅服务于基础科学研究，还可用于暗物质探测与材料结构分析等方向。随着极弱磁场探测技术的发展，SERF磁强计正朝着小型化、集成化方向演进，从而在生物磁测量与地磁导航等应用场景中展现潜力，并已在心脑血管疾病的早期诊断与预防方面获得验证应用。

在SERF磁强计的检测光学系统中，常用的测量量是线偏振探测光穿过碱金属原子气室后的线偏振旋光角，旋转角与被测磁场强度相关。围绕“线偏振旋光角探测”这一基本机理，该领域已经发展出多种工程实现手段，例如法拉第调制探测、磁场调制探测、光弹调制探测等；同时，探测光干涉与多次反射腔也被证明能够增强旋转角信号。然而，上述传统方案普遍依赖“将偏振角信息转换为强度差分信号”的读出机制：偏振器把偏振角映射为强度差，使测得信号与探测光输出功率直接成正比，因此探测光功率的波动或慢漂移会引入对应的信号漂移，进而限制SERF磁强计输出信号的稳定性与长期测量可靠性。这也意味着，面向高精度与长期稳定的应用需求下，亟需发展能够降低或消除探测光功率漂移影响等技术噪声的新型检测方法。

为解决上述挑战，北京航空航天大学翟跃阳研究员、杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院曹乾博士后联合南京大学胥亮研究员，提出一种基于倒弱值放大的SERF原子自旋磁强计磁场检测方法，可以有效抑制原子磁强计检测激光功率波动引起的技术噪声，实现磁场信号稳定性1-2个数量级的提升。相关成果以“Inverse weak measurement in a SERF magnetometer”为题发表于Photonics Research 2026年第2期。

研究团队成功构建了一种基于倒弱值放大（Inverse Weak Measurement，IWM）的SERF磁强计光学检测框架，将弱测量理论引入到SERF原子磁强计的光学系统设计中。其中，将光子的偏振自由度视为量子系统（Quantum System，QS）以携带外磁场信号，同时将检测激光的高斯空间分布作为指针态（Meter State，MS）。构建偏振与空间模式之间的弱耦合，并进行偏振后选择，外磁场引起的微小偏振变化被映射为暗端口输出光束的空间位移；然后通过位移—磁场响应曲线即可确定最大灵敏度工作点，实现高灵敏磁场读出。具体光学系统如图1所示。

图1 实验装置示意图。基于IWM的SERF原子磁强计可划分为三个部分（由紫色虚线框标出），分别对应弱测量的三个阶段：预选择、耦合和后选择。碱金属气室位于探测光与泵浦光光束的交汇处。气室周围布置有磁场补偿线圈（橙色线圈）和磁屏蔽层（黑色方块）。PBS：偏振分束器；HWP：半波片；QWP：四分之一波片；M1、M2：萨尼亚克干涉环中的反射镜；LCR：液晶半波可变延迟器；PEM：光弹调制器

由图2(a)–(e)可知，当外界磁场发生变化时，暗端口检测激光的空间分布模式同样发生改变，利用四象限探测器对检测激光暗端口的重心进行探测，如图2(f)所示，随着磁场的变化，激光重心的位置出现色散曲线分布。这一现象表明通过该工作的光学系统设计成功读取出了磁场引起的检测激光空间模式变化。

图2 (a)–(e) 不同磁场强度下，暗端口输出激光的空间光斑分布； (f)不同磁场工作点下暗端口输出激光的位移。横轴表示相对于磁补偿点的磁场强度偏离量，该补偿点由标记为𝛿𝐵𝑦的磁场补偿线圈提供；纵轴表示暗端口输出激光的归一化位移

该论文通过倒弱值放大理论，将SERF磁强计的读出量从强度差分转为暗端口空间位移，实现了对探测光功率波动与慢漂移的显著抑制；实验表明在获得高灵敏度的同时，其稳定性提升达1–2个数量级，为面向长期连续测量与应用化系统工程的SERF原子磁测提供了新的探测架构与实现路径。

翟跃阳，北京航空航天大学研究员。多年从事芯片化原子磁强计、激光物理等量子精密测量方向研究，研制出多通道阵列化原子磁强计，其指标达世界先进水平，支撑零磁医学、心脑磁测量研究。获省部级奖励，主持、参与国家自然科学基金、科技2030重大项目、基金委仪器专项等课题。近年发表包括SCI文100余篇，授权专利30余项。

胥亮，南京大学助理教授/特聘研究员，博士生导师，长期从事量子光学与量子精密测量方面研究，以第一/通讯作者在Advanced Photonics、Physical Review Letters、Photonics Research 等期刊发表论文10余篇，主持国家自然科学基金青年项目（C类）、国家重大研究计划（培育项目）、江苏省自然科学基金（面上项目）等，任Quantum Research、Quantum Frontiers、Chinese Optics Letters、《量子电子学报》青年编委。

曹乾，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士、杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院博士后，研究方向为量子精密测量、原子磁强计、量子弱测量等。曾获北京航空航天大学优秀毕业生等荣誉，以第一作者及通讯作者在Photonics Research、Measurement、IEEE Sensors Journal 等期刊发表学术论文9篇。

撰稿 | 杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院 曹乾

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[1].Ke Tian, Weifeng Ding, Zhaoying Wang, "Dead-zone-free atomic magnetometer based on hybrid Poincaré beams," Photonics Res. 12, 1093 (2024)

[2].Mu Yang, Ya Xiao, Ze-Yan Hao, Yu-Wei Liao, Jia-He Cao, Kai Sun, En-Hui Wang, Zheng-Hao Liu, Yutaka Shikano, Jin-Shi Xu, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, "Entanglement quantification via weak measurements assisted by deep learning," Photonics Res. 12, 712 (2024)