Some theoretical and experimental results on very low-noise magnetometers based on optically pumped helium 4
Quelques résultats théoriques et expérimentaux sur les magnétomètres très bas bruit basés sur le pompage optique de l'hélium 4
Résumé
This work presents a detailed study of helium 4 optically pumped magnetometers based on atomic alignment. Although their physical behavior is restricted to low magnetic fields (B≲150 nT), the dynamic range of such sensors may easily be extended using a back action loop on the magnetic field.We explicitly derive analytic expressions of the optical signals of helium magnetometers based on atomic alignment for the three atomic transitions D_0, D_1 et D_2. Doing so we are able to specifically study the different sensor architectures possible. We carefully present the two different ways of measuring a signal using atomic alignment: absorption and linear birefringence. We highlight new architectures of Hanle magnetometers, notably the possibility of measuring a field with one only optical access. We take a particular interest also in parametric resonance magnetometers to write their driving equations either in absorption and birefringence. We systematically complete our theoretical studies with experimental verifications.We finish by studying the intrinsic sources of imperfections (pumping of the probe beam, light-shift …) and noise of the sensors. Thus we discuss pros and cons of the architectures and analyze their theoretical sensitivity.
Nous présentons une étude détaillée des magnétomètres hélium 4 à pompage optique en alignement. Ces capteurs fonctionnent intrinsèquement dans un régime de champ magnétique faible (B≲150 nT), mais leur gamme de fonctionnement peut être grandement étendue en utilisant une boucle de compensation du champ.En réutilisant les théories du pompage optique et de l’atome habillé développées dans les années 60, nous obtenons les expressions détaillées des signaux optiques de nos magnétomètres pour les trois raies D_0, D_1 et D_2. Nous étudions ainsi les différentes architectures de capteurs qui peuvent être réalisées, en prenant soin de détailler les deux modes de mesure permis par l’alignement (absorption et biréfringence linéaire). Nous mettons ainsi en avant des nouvelles architectures innovantes des magnétomètres à effet Hanle, en faisant notamment apparaître la possibilité de réaliser une mesure avec un seul accès optique. Nous détaillons également l’étude des magnétomètres à résonance paramétrique dans les deux configurations de mesure permises par l’alignement. Systématiquement nous appuyons nos résultats théoriques via des validations expérimentales.Enfin nous détaillons les sources intrinsèques d’imperfections (effet indésirable du faisceau sonde, light-shift …) et de bruits des capteurs. Cela nous permet de mettre en avant les points forts et faibles des architectures, ainsi que d’étudier leurs performances en terme de sensibilité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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