Подавление шумов мощности лазера с помощью многофункциональной жидкокристаллической гребенки поляризации в миниатюризированных оптически накачиваемых магнитометрах

Слушая самые тихие шепоты мозга

Многие из важнейших сигналов в нашем теле — это крайне слабые магнитные поля, возникающие при разряде нервных клеток и при сердечных сокращениях. Для их измерения традиционно требуются громоздкие установки, охлаждаемые жидким гелием. В статье описан новый способ создания значительно меньших, более дешёвых и стабильных магнитных датчиков, который однажды может сделать высокоразрешающую визуализацию мозга и сердца более доступной вне специализированных лабораторий.

Почему важны миниатюрные магнитные датчики

Магнитное зондирование важно в таких разных областях, как картирование земной коры, поиск новой физики и диагностика неврологических и сердечных заболеваний. Современные эталонные устройства основаны на сверхпроводниках, которые нужно держать при температурах всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, что делает их дорогими и малопереносимыми. Оптически накачиваемые магнитометры, напротив, работают при или близко к комнатной температуре. Они используют лазерный свет и небольшую стеклянную ячейку с щелочными атомами, чтобы «накачивать» атомы в особое состояние, чрезвычайно чувствительное к магнитным полям. Поскольку такие датчики можно размещать близко к коже головы или грудной клетки, они дают более чёткую картину активности мозга и сердца. Задача заключается в том, чтобы уменьшить их размеры, сохранив низкий уровень шума и высокую точность.

Проблема с громоздкой оптикой и шумными лазерами

Традиционные схемы этих оптических магнитометров используют один лазерный пучок, который одновременно подготавливает атомы и исследует их отклик. Для этого свет должен иметь очень специфическую завихрённую поляризацию, обычно достигаемую с помощью нескольких уложенных стеклянных элементов, требующих точной юстировки. Эти громоздкие элементы занимают место, усложняют сборку и легко нарушаются изменением температуры или небольшими механическими сдвигами, что нарушает поляризацию и интенсивность света. Кроме того, даже крошечные колебания мощности лазера напрямую проявляются в выходном сигнале датчика, маскируя очень слабые биомагнитные сигналы. Существующие методы подавления такого шума часто требуют дополнительного оборудования, что противоречит цели миниатюризации.

Плоская «умная» гребёнка, выполняющая две задачи сразу

Авторы одновременно решают обе проблемы с помощью одной плоской жидкокристаллической гребёнки поляризации. Этот пластоподобный элемент состоит из молекул жидкого кристалла, ориентация которых плавно закручивается в повторяющемся узоре по поверхности. Когда через неё проходит линейно поляризованный лазерный свет, гребёнка эффективно преобразует его в два луча круговой поляризации, расходящихся под заметным углом. Один луч проходит через крошечный куб с атомами рубидия и выходит, неся информацию о магнитном поле; второй служит в качестве чистого эталона. Поскольку гребёнка одновременно формирует поляризацию и разделяет пучок, она заменяет несколько обычных оптических элементов одним ультратонким слоем. Команда показывает, что она преобразует свет на ключевой длине волны с эффективностью более 95% и почти идеальной круговой поляризацией, а её характеристики почти не меняются при дрейфе входной поляризации, температуры или угла падения пучка.

Как новый дизайн снижает шум

Суть нового датчика — схема дифференциального считывания, реализуемая этой «умной» гребёнкой. После гребёнки один кругополяризованный луч накачивает атомы рубидия: спины атомов выстраиваются и затем прецессируют в ответ на внешнее магнитное поле, слегка меняя пропускание света через ячейку. Детектор измеряет этот прошедший луч. Второй, идентичный луч обходит ячейку и попадает на отдельный детектор. Поскольку оба луча исходят из одного лазера, любые флуктуации мощности лазера появляются почти одновременно в обоих детекторах. Электронное вычитание двух сигналов существенно ослабляет общий лазерный шум, тогда как истинный магнитный сигнал — присутствующий только в луче, прошедшем через атомы — остаётся. Эксперименты в тщательно экранированной среде показывают, что одиночный режим работы этого нового датчика уже сопоставим или даже чуть лучше традиционной схемы. При работе в дифференциальном режиме его чувствительность улучшается примерно на 28%, достигая 8,6 фемтотесла на корень герц, и всё это в датчике объёмом всего четыре кубических сантиметра.

От лабораторного прототипа к будущим носимым сканерам

Авторы делают вывод, что жидкокристаллические гребёнки поляризации предлагают практический путь к меньшим, более дешёвым и надёжным квантовым магнитометрам. Плоская, прочная структура устройства может изготавливаться с использованием зрелых, высокопроизводительных технологий производства жидких кристаллов, что даёт преимущество перед более экзотическими нанофабрикованными оптиками. Одновременное упрощение оптической схемы и снижение лазерного шума обеспечивает баланс эффективности, стабильности и стоимости, подходящий для массивов датчиков, располагаемых вокруг головы или тела. При дальнейших доработках, таких как электрическая регулировка баланса и наведение пучков, этот подход может лечь в основу портативных систем визуализации мозга и сердца следующего поколения, приблизив сверхчувствительные магнитные измерения к повседневной клинической практике.

Цитирование: Cui, Z., Xiao, X., Wei, Z. et al. Suppressing laser-power noise with a multifunctional liquid crystal polarization grating in miniaturized optically pumped magnetometers. Microsyst Nanoeng 12, 161 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01297-y

Ключевые слова: оптически накачиваемый магнитометр, биомагнитная визуализация, жидкокристаллическая гребенка поляризации, квантовый датчик, магнитоэнцефалография