基于Bell-Bloom结构和圆二向色性检测的铯原子磁力仪研究

论文摘要

高精度磁场测量技术在矿产资源探测,地质灾害预警,生物医学和基础物理学等领域有着广泛的应用。在众多的磁场测量技术中,近十年来迅速发展的原子磁力仪拥有目前最高的测磁灵敏度。本文提出了一种基于Bell-Bloom结构和圆二向色性检测的铯原子磁力仪方案,并据此研制成功了一套完整的铯原子磁力仪系统。在此过程中,主要研究了以下几个方面的内容。（1）介绍了高精度磁测技术的应用背景,回顾了量子磁力仪的发展历程。对国内外各种原子磁力仪的发展现状进行了详细的介绍,在此基础上,总结了原子磁力仪的发展趋势。（2）提出了一种基于Bell-Bloom结构和圆二向色性检测的铯原子磁力仪方案。从理论上分析了由光泵浦引起的铯原子的自旋极化以及圆二向色性检测过程,建立了铯原子磁力仪的理论模型。（3）研究了基于线性磁光效应稳频的技术。对其进行了详细的理论和实验分析。实验研究了不同角度下,零点频率的偏移特点。对激光器在原子共振线附近一定失谐范围内连续锁频提供了参考,并且无需另加调制信号,避免了人为抖动带来的噪声。（4）设计了铯原子磁力仪的整体方案和具体的物理系统结构,并完成了磁力仪物理系统的搭建。对物理系统各部分的组成进行了详细的研究,研制了热气流加热装置,并采用光纤光栅对铯原子气室进行温度监测。在完成各部分的研制和测试工作后,最终完成了铯原子磁力仪物理系统的搭建。（5）对铯原子磁力仪物理系统的相关参数进行了实验研究,给出了一套最优化参数。测试了原子磁力仪物理系统的频率响应特性,分析了磁力仪物理系统的灵敏度,实验结果表明铯原子磁力仪物理系统在100 nT附近的灵敏度达到了 0.1 pT/Hz1/2的水平。对影响磁力仪性能的相关参数,如激光频率、激光光强、光斑大小和调制波形等进行了定量的实验研究。（6）完成了铯原子磁力仪闭环系统的研制,并进行了实际测试。在对恒定磁场进行1分钟连续测量时,磁力仪闭环系统的时域峰峰值抖动在3 pT以内,在进行1小时连续测量时,峰峰值抖动在9pT以内,闭环后磁力仪系统的灵敏度达到了 0.12pT/Hz1/2,磁力仪的响应速度为1.2 Hz。在本课题的工作中,取得了一些新颖的研究成果:（1）利用激光强度调制和圆二向色性检测方法,在详细推导铯原子磁力仪的极化、检测和弛豫等过程的基础上,建立了一套完整的Bell-Bloom磁力仪系统的理论模型,给出了相应的理论响应谱线。（2）成功搭建了基于Bell-Bloom结构和圆二向色性检测的铯原子磁力仪开环物理系统,在40℃的较低温度下,实现了铯原子磁力仪物理系统0.1 pT/Hz1/2的灵敏度。（3）对影响磁力仪灵敏度的的相关因素,激光频率,激光光强,光斑大小和调制波形与调制幅度等进行了定量的实验研究,给出了一套优化参数,并应用于实际测量系统中。（4）实现了磁力仪系统的闭环工作,成功研制了一套完整的、能自主工作的铯原子磁力仪系统。在对稳定磁场进行1分钟连续测量时,铯原子磁力仪的测量峰峰值抖动小于3 pT。在进行1小时连续测量时峰峰值抖动小于9 pT,闭环系统灵敏度达到了 0.12 pT/Hz1/2,磁力仪闭环系统的3 dB响应带宽为1.2 Hz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高精度磁测技术的应用
• 1.2 量子磁力仪的发展
• 1.2.1 核子旋进磁力仪
• 1.2.2 光泵磁力仪
• 1.2.3 超导量子干涉磁力仪
• 1.2.4 原子磁力仪
• 1.3 原子磁力仪研究现状及发展趋势
• 1.3.1 原子磁力仪的国外研究现状
• 1.3.2 原子磁力仪的国内研究现状
• 1.3.3 原子磁力仪的发展趋势
• 1.4 本文的主要研究内容及结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 铯原子磁力仪的理论基础
• 2.1 原子在外磁场中的运动
• 2.1.1 Cs原子能级结构
• 2.1.2 拉莫进动
• 2.1.3 塞曼效应
• 2.2 原子自旋的极化
• 2.2.1 激光泵浦的理论模型
• 2.2.2 铯原子D1线泵浦时的粒子数分布
• 2.3 原子自旋极化的光学检测
• 2.3.1 圆双折射检测
• 2.3.2 圆二向色性检测
• 2.4 原子气室中的碰撞弛豫
• 2.4.1 自旋交换碰撞
• 2.4.2 自旋破坏碰撞
• 2.4.3 原子与器壁的碰撞
• 2.5 Bell-Bloom结构原子磁力仪的理论响应
• 2.5.1 理论模型
• 2.5.2 理论响应谱线
• 2.6 本章小结
• 第3章 线性磁光效应稳频技术的研究
• 3.1 饱和吸收谱稳频技术
• 3.1.1 饱和吸收谱稳频的原理
• 3.1.2 饱和吸收谱稳频的实验研究
• 3.2 线性磁光效应稳频技术的研究
• 3.2.1 线性磁光效应稳频基本原理
• 3.2.2 不同角度下DAVLL的理论曲线
• 3.2.3 实验分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 铯原子磁力仪物理系统的研制
• 4.1 铯原子磁力仪的方案设计
• 4.1.1 磁力仪总体方案设计
• 4.1.2 物理系统方案设计
• 4.2 激光光源部分
• 4.2.1 激光器的结构
• 4.2.2 光隔离器的选择
• 4.2.3 泵浦光调制光路
• 4.3 铯原子气室及其控制系统
• 4.3.1 铯原子气室的设计
• 4.3.2 无磁热气流加热室及温控装置
• 4.3.3 磁屏蔽装置及其测试
• 4.3.4 标准磁场的产生
• 4.4 铯原子磁力仪物理系统集成
• 4.5 本章小结
• 第5章 铯原子磁力仪物理系统的参数分析
• 5.1 磁力仪的频率响应和灵敏度分析
• 5.1.1 磁力仪的频率响应
• 5.1.2 磁力仪的灵敏度分析
• 5.2 磁力仪物理系统响应带宽的测试与分析
• 5.2.1 泵浦光调制器-探测器系统的响应时间测量
• 5.2.2 磁力仪物理系统的响应时间测量
• 5.3 影响磁力仪性能的参数分析
• 5.3.1 激光频率的影响
• 5.3.2 激光光强的影响
• 5.3.3 泵浦光光斑大小的影响
• 5.3.4 泵浦光调制波形和调制幅度的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 铯原子磁力仪闭环系统的研制与测试
• 6.1 铯原子磁力仪共振频率跟踪锁定的方法
• 6.1.1 正弦调制锁频
• 6.1.2 半高宽锁频
• 6.1.3 色散零点锁频
• 6.2 铯原子磁力仪数字频率跟踪系统的研制
• 6.2.1 数字频率跟踪系统的方案设计
• 6.2.2 系统的工作流程
• 6.2.3 软件程序和界面
• 6.3 铯原子磁力仪闭环性能测试
• 6.3.1 磁场跟踪测试
• 6.3.2 闭环灵敏度测试
• 6.3.3 响应速度测试
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢