基于Bell-Bloom結(jié)構(gòu)和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀研究.pdf

1、高精度磁場測量技術(shù)在礦產(chǎn)資源探測，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，生物醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在眾多的磁場測量技術(shù)中，近十年來迅速發(fā)展的原子磁力儀擁有目前最高的測磁靈敏度。本文提出了一種基于Bell-Bloom結(jié)構(gòu)和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案，并據(jù)此研制成功了一套完整的銫原子磁力儀系統(tǒng)。在此過程中，主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
　?。?）介紹了高精度磁測技術(shù)的應(yīng)用背景，回顧了量子磁力儀的發(fā)展歷程。對國內(nèi)外各種原子磁力儀的發(fā)展現(xiàn)

2、狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了原子磁力儀的發(fā)展趨勢。
　　（2）提出了一種基于Bell-Bloom結(jié)構(gòu)和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案。從理論上分析了由光泵浦引起的銫原子的自旋極化以及圓二向色性檢測過程，建立了銫原子磁力儀的理論模型。
　　（3）研究了基于線性磁光效應(yīng)穩(wěn)頻的技術(shù)。對其進(jìn)行了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)研究了不同角度下，零點(diǎn)頻率的偏移特點(diǎn)。對激光器在原子共振線附近一定失諧范圍內(nèi)連續(xù)鎖頻提供了參考，并且無

3、需另加調(diào)制信號，避免了人為抖動(dòng)帶來的噪聲。
　?。?）設(shè)計(jì)了銫原子磁力儀的整體方案和具體的物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并完成了磁力儀物理系統(tǒng)的搭建。對物理系統(tǒng)各部分的組成進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研制了熱氣流加熱裝置，并采用光纖光柵對銫原子氣室進(jìn)行溫度監(jiān)測。在完成各部分的研制和測試工作后，最終完成了銫原子磁力儀物理系統(tǒng)的搭建。
　　（5）對銫原子磁力儀物理系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了一套最優(yōu)化參數(shù)。測試了原子磁力儀物理系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，

4、分析了磁力儀物理系統(tǒng)的靈敏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銫原子磁力儀物理系統(tǒng)在100 nT附近的靈敏度達(dá)到了0.1 pT/Hz1/2的水平。對影響磁力儀性能的相關(guān)參數(shù)，如激光頻率、激光光強(qiáng)、光斑大小和調(diào)制波形等進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)研究。
　?。?）完成了銫原子磁力儀閉環(huán)系統(tǒng)的研制，并進(jìn)行了實(shí)際測試。在對恒定磁場進(jìn)行1分鐘連續(xù)測量時(shí)，磁力儀閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)域峰峰值抖動(dòng)在3 pT以內(nèi)，在進(jìn)行1小時(shí)連續(xù)測量時(shí)，峰峰值抖動(dòng)在9 pT以內(nèi)，閉環(huán)后磁力儀系統(tǒng)的靈敏

5、度達(dá)到了0.12 pT/Hz1/2，磁力儀的響應(yīng)速度為1.2 Hz。
　　在本課題的工作中，取得了一些新穎的研究成果：
　?。?）利用激光強(qiáng)度調(diào)制和圓二向色性檢測方法，在詳細(xì)推導(dǎo)銫原子磁力儀的極化、檢測和弛豫等過程的基礎(chǔ)上，建立了一套完整的Bell-Bloom磁力儀系統(tǒng)的理論模型，給出了相應(yīng)的理論響應(yīng)譜線。
　?。?）成功搭建了基于Bell-Bloom結(jié)構(gòu)和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀開環(huán)物理系統(tǒng)，在40?C的較低溫度

6、下，實(shí)現(xiàn)了銫原子磁力儀物理系統(tǒng)0.1 pT/Hz1/2的靈敏度。
　?。?）對影響磁力儀靈敏度的的相關(guān)因素，激光頻率，激光光強(qiáng)，光斑大小和調(diào)制波形與調(diào)制幅度等進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)研究，給出了一套優(yōu)化參數(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際測量系統(tǒng)中。
　　（4）實(shí)現(xiàn)了磁力儀系統(tǒng)的閉環(huán)工作，成功研制了一套完整的、能自主工作的銫原子磁力儀系統(tǒng)。在對穩(wěn)定磁場進(jìn)行1分鐘連續(xù)測量時(shí)，銫原子磁力儀的測量峰峰值抖動(dòng)小于3 pT。在進(jìn)行1小時(shí)連續(xù)測量時(shí)峰峰值抖動(dòng)小于