激光源对光磁共振信号的影响

论文摘要

激光铯光泵磁力仪是一种用来测量磁场总强度的绝对磁测仪器,它是以铯原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础,利用激光泵浦和射频磁场产生光磁双共振的原理而制成的,激光抽运铯原子是磁力仪结构的核心部分。本文首先简要介绍了铯（Cs）原子的基本性质、能级结构以及在外磁场中如何进行I-J耦合形成超精细结构并发生塞曼分裂形成塞曼子能级,在此基础上给出光泵磁力仪的理论分析和系统设计原理。对磁力仪中的相关器件进行了详细的说明,重点说明了作为抽运光源部分的894 nm半导体激光器的性能参数对光抽运效应的作用。然后在简单三能级系统参照下,深入分析了左旋圆偏振激光光束对铯原子各塞曼子能级的抽运机理。从分析可知铯原子塞曼子能级偏极化程度（各塞曼子能级粒子数的非均衡分布）越高,探测的光磁共振信号越强。本文利用M. L. Harris等人得出的光学布洛赫方程近似形式,分析计算了铯原子基态Fg=4、Fg=3和激发态Fe=4各塞曼子能级粒子数变化的速率方程,由此可获得各能级粒子数随时间演化的函数,并分析了激光光强,失谐频率及偏振态对铯原子各塞曼子能级粒子数的影响。从而可以选择合适的激光器输出参数,使基态Fg=4各塞曼子能级粒子偏极化程度最大。因此选择合适的激光器输出参数对提高铯原子的偏极化程度、提高光磁共振信号、改善激光光泵铯磁力仪磁测的灵敏度、稳定性具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 地磁传感器分类及特点
• 1.2.1 质子旋进式磁敏传感器
• 1.2.2 光泵式磁敏传感器
• 1.2.3 SQUID磁敏传感器
• 1.2.4 磁通门式磁敏传感器
• 1.3 铯光泵磁力仪的发展现状
• 1.3.1 国内的发展现状
• 1.3.2 国外的发展现状
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 铯光泵磁力仪的基本原理
• 2.1 铯原子物理性质
• 2.2 铯原子能级结构
• 2.3 跃迁定则
• 2.4 铯光泵磁力仪的结构及工作机制
• 2.5 本章小结
• 第3章 激光抽运铯原子机理
• 3.1 AlGaAs半导体激光器
• 3.2 光抽运效应
• 3.2.1 简单三能级系统的抽运机理
• 3.2.2 铯原子塞曼子能级之间的光抽运效应分析
• 3.2.3 铯原子系统的偏极化
• 3.3 弛豫过程
• 3.4 本章小结
• 第4章 激光抽运铯原子各塞曼子能级粒子数随时间演化的理论
• 4.1 光学布洛赫方程与各能级粒子数演化方程
• 4.2 基态F=4各塞曼子能级粒子数随时间演化
• 4.2.1 Clebsch-Gordan系数和3J符号的计算
• 4.2.2 U系数和6J符号的计算
• 4.3 基态F=4各塞曼子能级粒子数变化函数
• 4.4 本章小结
• 第5章 激光源对铯原子各塞曼子能级粒子数演化的影响
• 5.1 激光光强对铯原子各塞曼子能级粒子数演化的影响
• 5.2 激光失谐频率对铯原子各塞曼子能级粒子数演化的影响
• 5.3 激光光束左旋圆偏振光对铯原子各塞曼子能级粒子数演化的影响
• 5.3.1 左旋圆偏振光的获得
• 5.3.2 激光偏振态对铯原子各塞曼子能级的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢