• 解决的问题：传统光泵浦原子磁力仪（OPAM）受限于原子极化不均匀、系统偏振控制精度不足，存在偏振梯度导致信号稳定性差，且光路复杂、能量利用率低，制约了高精密磁场测量性能。
  

• 提出的方法：提出基于自旋解耦超表面的偏振增强双向泵浦OPAM，设计具有预设相位分布的超表面，生成两种手性不同的圆偏振光和一种线偏振光。两束圆偏振光从原子池两侧反向入射实现双向泵浦，零级线偏振光作为探测光，提升系统稳定性与能量利用率。
  

• 实现的效果：实验验证该系统可精确控制原子自旋极化，在300–20000 nT磁场范围内实现高精度测量，灵敏度提升至1.85 pT/Hz¹⁄²，信号强度与稳定性显著提高，且简化了系统结构，增强了能量利用效率。
  

• 创新点：通过自旋解耦超表面实现多偏振态调控，利用梯度相技术分离不同手性圆偏振光，双向泵浦有效抑制极化梯度；零级线偏振光复用为探测光，在提升原子极化均匀性的同时简化系统，推动超表面在量子精密测量中的应用。

• 研究成果以《Polarization-Improved Bidirectional-Pump Atomic Magnetometer Based on Spin-Decoupled Metasurface》为题发表于《Advanced Science》。北京航空航天大学Shuo Sun、Jiahao Zhang为论文共同第一作者，北京航空航天大学Jin Li为论文通讯作者。

• 摘要：光泵浦原子磁力仪（OPAM）已成为先进的磁场探测仪器。然而，传统OPAM的性能受限于原子极化不均匀和系统偏振控制精度不足等因素。本研究提出并实验验证了一种基于自旋解耦超表面的双向泵浦OPAM。通过设计具有预设相位分布的超表面结构，系统生成两束手性不同的圆偏振光和一束线偏振光。两束圆偏振光沿原子池两侧反向入射，有效减轻池内极化梯度并增强系统稳定性。此外，利用零级线偏振光作为系统探测光，在提高能量利用效率的同时简化了系统结构。实验结果表明，基于超表面的OPAM成功实现了原子自旋极化的精确控制，能够进行高精度磁场测量，灵敏度提升至1.85 pT/Hz¹⁄²。该研究不仅推动了超表面在量子精密测量中的应用，还为提升原子磁力仪性能提供了新方法。
  

• 结论：本研究实验验证了一种基于自旋解耦超表面的偏振增强双向泵浦OPAM。通过优化原子极化率，系统性能显著提升。设计并优化的超表面可有效生成高质量左旋和右旋圆偏振光，并利用梯度相实现光束分离。所设计的OPAM系统利用转换后的圆偏振光实现原子双向极化，显著抑制碱金属原子系综的极化梯度，从而提高系统信号强度和稳定性。同时，采用超表面生成的零级线偏振光作为探测光，提升了能量利用效率并简化了系统结构。实验性能评估表明，基于自旋解耦超表面的OPAM测量范围广，能精确探测高达20000 nT的外部磁场，适用于地磁环境，在10 Hz频率下灵敏度提升至1.85 pT/Hz¹⁄²。这一突破性解决方案为超高灵敏度精密磁场测量提供了新技术方法，凸显了超表面在量子传感领域的巨大潜力。
  

图1：传统光泵浦原子磁力仪（OPAM）与基于自旋解耦超表面的OPAM对比。

图2：自旋解耦超表面的设计与模拟。

图3：超表面的制备与实验表征。

图4：基于自旋解耦超表面的光泵浦原子磁力仪（OPAM）系统设计。