Phase projection errors in rf-driven optically pumped magnetometers

in: arXiv (2024)
Grujic, Zoran; Curcic, Marija; Kocic, Aleksandra; Weis, Antoine; Scholtes, Theo
We study the phase between the oscillating (rf) excitation field and the detected (light) power modulation in scalar rf-driven optically pumped magnetometers (OPMs), in particular in the Mx configuration. While the static dependence of the demodulation phase on the direction of the external static magnetic field vector can be largely overcome by aligning the oscillating rf field along the light propagation direction, we show that a dynamic (transient) phase response can appear under tilts of the magnetic field. We analytically solve the corresponding modified Bloch equation and obtain agreement with experimental observations in an Mx magnetometer setup using a paraffincoated Cs vapor cell. The results reveal fundamental limitations of Mx magnetometers in terms of response time and accuracy, in particular when operated with active electronic feedback, e.g., using a phase-locked loop. Thus, the work is highly relevant in important magnetometry applications, where the direction of the quasi-static magnetic field of interest is not known a priori and/or not constant over time, or in measurements, in which a large detection bandwidth is paramount. Such conditions are encountered, e.g., in geomagnetic surveying, in particular with mobile platforms.

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