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原子磁力仪的研究

作　者: 李曙光
导　师: 林强
学　校: 浙江大学
专　业: 物理学
关键词: 磁场测量塞曼效应光泵浦作用原子磁力仪
分类号: P716.82
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微弱磁场探测技术在许多方面,如医学、军事、地球物理和工业中都有着不可替代的重要作用。在本文工作中,我们研制了一种用于微弱磁场探测的高灵敏度原子磁力仪实验装置,并对其工作原理、装置结构和测量结果做了相关的研究与分析。在第一章中,介绍了本课题研究的背景、意义和目标。首先展示了弱磁场探测技术的应用。其次介绍了目前常用的高灵敏度磁力仪的工作原理与特性。然后分析了当前磁力仪发展的趋势、各领域的需求以及自主研发的重要性,同时提出了我们研制高性能原子磁力仪装置的研究目标。在第二章中,通过给出原子与光、磁场作用的基本理论,并经过相关计算,从理论上解释了一种新型原子磁力仪的基本工作原理。其中,介绍了铷原子特性和塞曼效应；分析了光泵浦作用；结合量子力学的薛定谔方程,计算了磁场对原子态矢量变化的影响和对入射光强吸收的理论关系式。分析了理论表达式给出的关系曲线特征,并利用该曲线特征提出了一种原子磁力仪装置的基本设计方案。在第三章中,介绍了原子磁力仪实验装置的结构,包括光源部分、磁传感器部分和信号探测部分等。光源部分中,通过激光器的相关参数精密调整与稳定波长等方法,实现了输出一束用于探测的共振圆偏振激光；磁传感器中,通过调整铷原子的温度提供了适合的铷原子密度与入射探测光、磁场进行作用；信号探测部分中,通过光电二极管探测透射光强并进行相关计算机信号处理,得到外磁场的大小。在第四章中,对原子磁力仪实验装置进行了性能测试、模拟测量和结果分析。首先,验证了透射光强与磁场大小关系实验和理论的一致性；其次进行了模拟测量和灵敏度测试,结果良好；最后还对各种影响灵敏度的因素做了测试,并分析了其中的原因和提出相应的改进思路。在第五章中,对全文的工作进行总结,并对原子磁力仪的改进和广阔的应用前景作了展望。

全文目录

序言  8-9
致谢  9-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
1 绪论  13-29
  1.1 微弱磁场测量及其应用概述  13-17
  1.2 高灵敏度磁力仪的种类  17
  1.3 磁通门磁力仪简介  17-19
  1.4 质子旋进磁力仪简介  19-21
  1.5 光泵磁力仪简介  21-24
  1.6 超导量子干涉磁力仪简介  24-26
  1.7 磁力仪发展趋势  26-27
  1.8 本课题的研究意义和研究目标  27-28
  1.9 小结  28-29
2 原子磁力仪的理论基础  29-43
  2.1 基本原理  29
  2.2 铷原子特性  29-31
  2.3 塞曼效应  31-34
  2.4 光泵浦作用  34-37
  2.5 去极化过程与原子态矢量描述  37-39
  2.6 理论表达式  39-42
  2.7 小结  42-43
3 原子磁力仪的实验装置  43-83
  3.1 实验方案  43-45
  3.2 光源部分  45-65
    3.2.1 激光器  45-48
    3.2.2 恒温控制模块  48-54
    3.2.3 恒流控制模块  54-57
    3.2.4 波长锁定模块  57-61
    3.2.5 改进的激光器  61-63
    3.2.6 其他光学元件  63-65
  3.3 磁传感器部分  65-73
    3.3.1 铷原子气室  65-66
    3.3.2 恒温装置  66-68
    3.3.3 标准线圈  68-71
    3.3.4 磁屏蔽装置  71-73
  3.4 信号检测部分  73-82
    3.4.1 光电转换器  73-75
    3.4.2 PD信号放大器  75-77
    3.4.3 信号采集与处理  77-78
    3.4.4 计算机软件系统  78-82
  3.5 小结  82-83
4 原子磁力仪的测试与分析  83-96
  4.1 理论与实验曲线对比  83-84
  4.2 模拟磁场测量  84-86
  4.3 灵敏度测量  86-87
  4.4 影响因素测试与分析  87-94
    4.4.1 铷原子温度  87-89
    4.4.2 激光波长失谐  89-91
    4.4.3 偏振度  91
    4.4.4 光束直径  91-92
    4.4.5 激光功率  92-94
  4.5 小结  94-96
5 总结和展望  96-98
参考文献  98-104
作者简历  104

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