在微型光学泵浦磁力计中用多功能液晶偏振光栅抑制激光功率噪声

倾听大脑最微弱的低语

我们体内许多最重要的信号都是极其微弱的磁场，由脑细胞放电和心脏跳动产生。测量这些低语通常需要用液氦冷却的室级大型设备。本文介绍了一种新的构建方式，可制造更小、更便宜且更稳定的磁传感器，有望将高分辨率的脑与心脏成像从专业实验室带到更广泛的场景。

微型磁传感器为何重要

磁探测在从绘制地壳结构、搜索新物理到诊断神经或心脏疾病等各种领域都至关重要。当前的金标准设备依赖超导器件，必须保持在接近绝对零度的温度，这使得它们昂贵且难以移动。相比之下，光学泵浦磁力计可在室温或近室温下工作。它们利用激光光和盛有碱金属原子的微小玻璃腔体，将原子“泵浦”到对磁场极为敏感的特殊态。由于这些传感器可以紧贴头皮或胸部放置，它们有望提供更清晰的脑和心脏活动图像。挑战在于如何在缩小体积的同时保持低噪声和高精度。

笨重光学组件与嘈杂激光的问题

传统的光学磁力计设计通常使用单束激光，既用于准备原子态也用于探测其响应。为此，光必须被塑造成非常特定的旋转偏振，通常通过多层堆叠的玻璃元件实现，这些元件需要精确对准。这些笨重的元件占据空间，增加组装复杂性，并易受温度变化或微小机械移动的影响，从而扰动光的偏振和强度。此外，即便是激光功率的微小抖动也会直接反映在传感器输出上，掩盖来自人体的微弱磁信号。现有抑制这些噪声的方法往往需要更多硬件，这与微型化目标相冲突。

一个扁平智能光栅同时完成两项任务

作者通过一种单层液晶偏振光栅同时解决了这两个问题。该晶片状元件由液晶分子构成，分子的取向在表面上沿重复模式缓慢扭转。当线偏振激光通过时，光栅高效地将其转换成两束圆偏振光，并以较大角度分离开来。一束光穿过包含铷原子的微小立方体并携带关于磁场的信息；另一束则作为干净的参考光。由于光栅既塑造偏振又分束，它以极薄的一层替代了若干传统光学元件。团队表明，在关键波长下其转换效率超过95%，圆偏振几乎理想，并且在输入偏振、温度或入射角漂移时性能几乎不变。

新设计如何抑制噪声

新传感器的核心是由该智能光栅实现的差分读出方案。经过光栅后，一束圆偏振光对铷原子进行泵浦，使原子自旋对外部磁场产生进动，从而略微改变通过腔体的透光量。一只探测器测量这束透射光。第二束相同的光绕过腔体，照射到另一只探测器上。由于两束光来自同一激光，激光功率的任何波动几乎同时反映在两个探测器上。通过电子方式对两路信号相减，共同的激光噪声得以大幅抵消，而仅存在于通过原子腔的那束光中的真实磁信号得以保留。在精心屏蔽的环境中进行的实验表明，这种新传感器在单端模式下已能与传统设计相匹敌或略优。以差分模式运行时，其灵敏度提升约28%，达到8.6飞托斯拉每平方根赫兹，而探头体积仅为4立方厘米。

从实验室原型到未来的可穿戴扫描仪

研究得出结论：液晶偏振光栅为更小、更便宜且更可靠的量子磁力计提供了实用路径。该器件扁平且稳健的结构可用成熟的高通量液晶制造工艺生产，相较于更为复杂的纳米光学具有优势。通过同时简化光学系统并降低激光噪声，这一新架构在效率、稳定性与成本之间取得了平衡，特别适合布置在头部或身体周围的传感器阵列。通过进一步改进，例如电控平衡和光束偏转等功能，这种方法有望成为下一代便携式脑与心脏成像系统的基础，把超灵敏磁测量带入日常临床应用的更近处。

引用: 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

关键词: 光学泵浦磁力计, 生物磁成像, 液晶偏振光栅, 量子传感器, 脑磁图（MEG）