论文摘要
微弱磁场的精确测量,作为研究磁体性质、分析物质形态的一种重要手段,在实际应用中起着重要作用,例如生物体磁场的测量、地形地貌的研究、材料缺陷的检测、矿产油气的勘察、水下磁性目标的定位等。目前已广泛应用的、技术比较成熟的磁力仪种类包括磁通门磁力仪、核子旋进磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪等,虽然这些磁力仪的灵敏度都比较高,但是弱磁探测领域对磁力仪设备的的迫切需求,因此提高磁测灵敏度成为磁力仪发展的必然趋势。目前正处于研制阶段的新型磁力仪—原子磁力仪,在磁测灵敏度水平上将会带来新的突破。本文首先讲述了磁力仪在多个领域的重要应用;阐述了高分辨率光谱与磁场的关系在原子磁力仪研制中的重要性;给出了原子磁力仪相关光谱线型及线宽的主要特征及其影响因素;随后针对本课题组目前已经成功搭建的、微弱磁场下灵敏度为0.1pT/Hz1/2的Bell-Bloom铯原子磁力仪系统,理论分析了其在应用于地磁场环境中时影响共振光谱变化、导致灵敏度降低的因素,并就该问题提出了可行性解决方案;最后,针对实际应用中系统过于复杂的问题,理论并实验研究了铯原子D2线消多普勒极化谱以及非线性磁光共振光谱与磁场的关系,寻求更为简易化的原子磁力仪方案。以下是本文的主要研究内容:1、选用碱金属铯（133Cs）原子作为原子磁力仪探头中的工作物质。重点分析了磁力仪探头核心部件—原子气室内缓冲气体的选择问题,根据Cs原子气室内自旋交换碰撞、自旋破坏碰撞和原子与器壁碰撞等弛豫机制的基本原理,计算出了气室内缓冲气体氦（He）和淬灭气体氮气（N2）的最佳气压值,解决了保证原子磁力仪灵敏度的首要问题。2、对试验样机研制过程中必需的零磁场环境进行了说明,并针对磁屏蔽装置形状的设计和加工材料的选择,进行了详细的讨论和理论仿真,根据参数的理论最优值加工制作的磁屏蔽装置,达到了预期效果并满足了实验需求。3、详细描述了圆偏振泵浦光制备各向异性原子介质的物理过程,并进行了严格的理论推导。理论分析了地磁场下非线性塞曼效应对Bell-Bloom原子磁力仪磁测灵敏度的影响,并针对这一问题提出了可行性解决方案,消除了地磁场下非线性塞曼效应对磁共振光谱的影响。4、理论并实验研究了纵向磁场导致的Cs原子D2线塞曼子能级移动和布局数的变化对消多普勒极化谱的影响。发现极化谱的谱线特征不仅有利于实现激光稳频技术中频率的连续调节,而且其参数随磁场变化的关系,为研制新型、简易化原子磁力仪的提供了一种新的途径。5、针对系统过于复杂、不利于实际应用的问题,我们研究了基于非线性磁光效应的原子磁力仪,由于其理论灵敏度高且系统实现简单,因此具有很大的发展潜力。为此,本文对该类型原子磁力仪进行了详细的理论分析和实验研究。本文的主要创新性成果包括:1、成功搭建出基于非线性磁光效应的铯原子磁力仪系统,并在激光频率对应Cs原子D2线Fg=3→Fe=2共振跃迁、激光光强为2.0mW/cm2时,在室温下实现了 5.3pT/Hz1/2的磁测灵敏度。目前国内尚未见此类磁力仪研究的相关报道;2、理论分析了非线性磁光效应的两种物理机制:四极距进动（AP）和四极距向偶极矩的转换（AOC）,并通过实验结果首次得出两种物理机制的转换条件,表明实现AOC-NMOR的最小光强约为0.02mW/cm2;3、针对弱磁检测系统应用于地磁场环境中的局限性进行了详细的理论分析,并提出了双光束泵浦的可行性解决方案;4、对实现弱磁环境的磁屏蔽装置的各种参数进行了系统、全面的理论仿真,并实验验证了圆柱形屏蔽筒内轴向磁场分布的理论的正确性。