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相干粒子数俘获磁力仪的研究

作　者: 李琦
导　师: 高锦岳
学　校: 吉林大学
专　业: 光学
关键词: 磁场测量塞曼效应相干粒子数俘获原子光学磁力仪
分类号: TM936.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

磁测量技术是研究与磁现象有关物理现象的重要手段,已经逐渐形成一门独立的学科。在科学研究、国防建设、工业生产、生物医疗科学、日常生活等领域,磁场的测量尤其是弱磁场的测量,常常发挥着重要的作用。目前,国内外常见的弱磁场测量仪器有很多种,但是它们各自受到精度的高低、体积的大小、功耗多少以及经济等诸多方面因素的影响,使得其应用受到一定的限制。发展起来的相干粒子数俘获(Coherent Population Trapping, CPT)磁力仪具有精度高,体积小、功耗低等特点,因此引起了各国科研工作者的关注。本论文主要对相干粒子数俘获磁力仪进行了研究,分别对其工作原理、实验装置、实验结果以及实验方法改进做了相关的研究和分析。首先,我们主要对弱磁场测量的重要性及其应用进行了介绍,它在很多领域都有着广泛地应用价值。接着介绍了几个常见的弱磁场测量仪器,包括它们的基本概念、工作原理、优缺点以及应用范围等。然后分析了相干粒子数俘获(CPT)磁力仪的发展现状,提出了自主研制性能优良的磁力仪的重要性。最后介绍了本论文的主要研究内容及其意义。其次,我们根据在磁场中光与原子相互作用的基本原理,从理论上解释了相干粒子数俘获测磁的基本原理。我们对铷原子特性及其在磁场中发生的塞曼效应作了介绍和分析,并给出了裂距与磁场的关系表达式,建立了外磁场与原子之间的联系。其次介绍了相干粒子数俘获现象,并从量子力学的角度对相干粒子数俘获(CPT)现象进行了理论分析,解释了相干粒子数俘获现象的物理本质,最后分析了相干粒子数俘获测磁的基本原理,为CPT磁力仪的实验提供了理论基础。再次,根据磁力仪的基本原理,设计并建立了一套相干粒子数俘获磁力仪的实验装置。它的结构总体可以分为三大部分：光源部分、磁传感器部分和信号检测部分。我们对各部分的性能、工作原理、器件参数等方面进行了详尽的介绍。最后,为了使CPT磁力仪实验装置小型化、紧凑化、整体化,我们设计了磁力仪封装外壳,把磁力仪的光源部分、磁传感部分以及信号检测部分的器件封装在一起。最后,在已建立的磁力仪装置的基础上,对磁场的绝对值、磁场的变化量、磁场的分辨率和地磁场进行了相应的测量。并且系统分辨率约为1.43nT<2nT。当磁场与光的方向为几个不同情况时,所获得测磁CPT共振信号会有所不同,我们对此进行了实验与理论的分析。还对一些影响磁力仪性能的因素进行了相关的测试与分析,并分析了原因和提出了改进思路。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 弱磁场测量及弱磁场测量仪器概述  11-12
  1.2 几种常见的弱磁场测量仪器  12-22
    1.2.1 磁通门磁力仪简介  12-14
    1.2.2 光泵磁力仪简介  14-18
    1.2.3 质子旋进磁力仪简介  18-20
    1.2.4 超导量子干涉磁力仪简介  20-22
  1.3 相干粒子数俘获磁力仪的发展现状及研究意义  22-24
  1.4 本论文主要内容  24-25
  1.5 本章小结  25-27
第2章相干粒子数俘获磁力仪的理论基础  27-41
  2.1 基本原理  27-28
  2.2 铷原子相关特性  28-31
  2.3 塞曼效应  31-34
  2.4 相干粒子数俘获(CPT)  34-36
    2.4.1 原子相干  34
    2.4.2 相干粒子数俘获(CPT)现象  34-36
  2.5 基于相干粒子数俘获测磁的原理  36-39
  2.6 本章小结  39-41
第3章相干粒子数俘获磁力仪的实验装置  41-63
  3.1 实验实施方案  41-42
  3.2 光源部分  42-53
    3.2.1 激光器  43-45
    3.2.2 温控装置  45-48
    3.2.3 电流控制装置  48-49
    3.2.4 稳频装置  49-51
    3.2.5 调制信号源的优化设计  51-53
    3.2.6 其它光学器件  53
  3.3 磁传感器部分  53-56
    3.3.1 铷样品池  54-55
    3.3.2 恒温装置  55-56
  3.4 信号检测部分  56-58
    3.4.1 光电探测器  56-57
    3.4.2 信号采集与处理  57-58
  3.5 实验装置的小型化结构设计  58-61
  3.6 本章小结  61-63
第4章相干粒子数俘获磁力仪的测试与分析  63-75
  4.1 磁场绝对值测量  63-64
  4.2 磁场变化量测量  64-65
  4.3 分辨率测量  65-66
  4.4 地磁场测量  66-67
  4.5 多个CPT共振与磁场方向的理论分析与实验研究  67-70
  4.6 影响因素测试与分析  70-74
  4.7 本章小结  74-75
论文总结  75-77
参考文献  77-83
附录1  83-85
附录2  85-87
致谢  87

相干粒子数俘获磁力仪的研究

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