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激光对铯原子磁力仪灵敏度影响

作　者: 王丰
导　师: 张军海
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学
关键词: Cs原子磁力仪共振谱线宽度无自旋交换弛豫灵敏度
分类号: P631.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微弱磁场精确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。提高磁力仪的灵敏度成为了自上个世纪50年代以来科研工作者直努力的方向。60年代,人们以约瑟夫森效应为理论基础利用超导材料制成了超导量子磁力仪,其测量灵敏度极高,可以达到10-15T·Hz-1/2,但其不足也非常明显,要求在液氮的低温环境下才能工作。用Cs原子作为工作物质,在100℃左右的温度下就可以实现无自旋交换弛豫(Self-Exchange Relaxation-Free, SERF)原子磁力仪。本论文用唯像理论分析了在SERF-Cs原子磁力仪中,原子横向弛豫及线宽与缓冲气体He的压强及Cs泡温度之间的变化曲线。通过对曲线进行分析,给出了实现SERF-Cs原子磁力仪最佳工作参数,即在Cs泡温度为105℃,缓冲气体He的压强为600Torr的条件下,SERF-Cs原子磁力仪谱线的极限宽度为24.2Hz。由于SERF-Cs原子磁力仪是利用已被极化的电子自旋来测量弱磁场,因此泵浦和检测强度制约着其测量灵敏度。这样就需要寻找到最佳泵浦光光强和检测光光强,通过数值计算得出泵浦光强和检测光光强分别为52mW/cm2和0.6mW/cm2。我们还分析了自旋投影噪声、光子散粒噪声、光频移对SERF-Cs原子磁力仪灵敏度影响程度。对这三种噪声与激光频率失谐关系进行了数值计算,得出自旋投影噪声大约为1.23fT·Hz-1/2;光子散粒噪声大约为1.0fT·Hz-1/2;光频移大约为0.12fT·Hz-1/2;其总噪声大约在1.6fT·Hz-1/2。这些研究工作为我们进行SERF-Cs原子磁力仪的实验研究提供了必要的理论依据。本论文共分五部分：第一章介绍SERF-Cs原子磁力仪研究的背景和国内外研究现状。第二章介绍了SERF-Cs原子磁力仪的物理基础和基本工作原理。第三章对SERF-Cs原子磁力仪共振谱线宽度进行了数值计算,论证了最佳泵浦光功率和最佳检测光功率。第四章从理论方面探讨了制约SERF-Cs原子磁力仪灵敏度的因素,提出了研制高灵敏度SERF-Cs原子磁力仪的目标。第五章对研究工作进行总结,展望了高灵敏度Cs原子磁力仪广阔的应用前景。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题研究意义  10
  1.2 磁力仪的几个主要技术指标  10-11
  1.3 常见的高灵敏度磁力仪及其应用  11-18
    1.3.1 核子旋进磁力仪  11-16
    1.3.2 电子旋进磁力仪  16-18
  1.4 全光原子磁力仪国内外发展现状  18-19
    1.4.1 国内研究现状  18
    1.4.2 国外研究现状  18-19
  1.5 本论文的主要工作及意义  19-20
第2章 Cs原子磁力仪工作基本原理  20-31
  2.1 铯原子特性及能级结构  20-22
  2.2 塞曼效应  22-25
  2.3 泵浦光极化  25-28
  2.4 铯原子磁力仪基本原理  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第3章 Cs原子磁力仪共振谱线宽度的理论研究  31-40
  3.1 最佳泵浦光功率  31-33
  3.2 最佳检测光功率  33-36
  3.3 谱线宽度与缓冲气体压强的关系  36-37
  3.4 谱线宽度与温度之间的关系  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章影响Cs原子磁力仪灵敏度的研究  40-51
  4.1 自旋投影噪声  40-43
  4.2 光子散粒噪声  43-45
  4.3 光频移  45-49
  4.4 本章小结  49-51
结论与展望  51-52
参考文献  52-56
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  56-57
致谢  57

激光对铯原子磁力仪灵敏度影响

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