基于线极化的原子测磁系统的实验与理论研究

发布时间：2020-04-02 22:24

【摘要】：磁场精密测量在矿产勘探、地质检测、生物医学、航天航空等方面均有广泛的应用。在过去的近半个世纪里,随着人们对光场及原子性质的了解不断深入,以光与原子相互作用为基本原理的磁力仪得以实现并不断发展。目前原子磁力仪的灵敏度可达到fT/(?)乃至0.1fT/(?)量级,且可以实现对近零磁场、非零磁场以及地磁、标量与矢量磁场的测量,具有广阔的应用前景。人们在实验上开展了大量原子测磁的相关工作,这些工作可以帮助我们认识原子与磁场及原子与光场之间的相互作用,了解原子测磁系统中影响磁测量的因素,进而可以通过优化系统提高磁场测量灵敏度。本论文的主要研究内容是线极化的原子测磁系统的相关理论和实验。我们在了解了如何利用原子对磁场进行测量的基础之上,进一步掌握了灵敏度的测量办法。并结合理论搭建了原子测磁系统,进而对影响磁测量的因素进行了分析和解释。本文工作主要分为以下几个部分:1)回顾并介绍了磁测量的发展及原子测磁系统的研究现状。2)介绍了如何利用密度矩阵描述光场的偏振以及原子的极化,并结合原子极化的可视化模型,理解光极化原子的指向性及原子极化在磁场中的演化;3)设计并搭建了一套泵浦光和探测光均为线偏光的原子测磁系统。在系统搭建的过程中,对气室内的自旋弛豫进行了分析,研究了磁场不均匀对磁测量的影响,并对无磁电加热的器件和电路进行了初步设计;4)在探测光频率对应铯原子D2线跃迁62S1/2F=4-62P3/2F=5,且泵浦光频率分别对应铯原子D1线跃迁6281/2F=4-62P1/2F=3的条件下,对磁共振线宽与泵浦光光强的关系进行测量。在理论上通过建立简化的原子能级模型对实验结果进行解释和说明。5)在泵浦光光强分别对应铯原子D1线跃迁6281/2F=4-62P1/2F=3(直接泵浦)和62S1/2F=3-62P1/2F=4(间接泵浦)的条件下,获得了磁共振线宽、磁共振频率处的信噪比和磁场测量灵敏度随泵浦光光强的变化规律。在理论上,通过推导含自旋弛豫的速率方程对实验结果进行了分析。6)在间接泵浦的情况下,分析了探测光的光强对磁测量的影响,实验结果和理论分析均表明若泵浦光与探测光对应的基态不同,采用双洛伦兹线型对磁共振谱线进行拟合更加合适;在直接泵浦的情况下,通过测量两个气室对磁场的响应,简要分析了气室内缓冲气体的量对磁测量的影响;7)结合已经完成的实验和理论模型,以及目前实验室已有的研究基础,提出了下一步对磁测量系统的优化方案。
【图文】：

磁共振,磁通门磁力仪,实验室

图 1.1 实验室使用的磁通门磁力仪。1955 年，第一台质子磁力仪在美国研制成功，这也是磁测量发展历史上第一台量子磁力仪。其基本原理是水中的氢原子核（即质子）在磁场中的磁共振，，通过测量

工作原理,原子实,原子态,基本原理

图 1.2 原子磁力仪的工作原理[11]。原子实现对磁场的测量，其基本原理如下（图 1.2）：处于磁场中的响而发生变化，这种变化和光与原子相互作用制备的原子态有关（
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P318.63

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