基于Bell-Bloom結構和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀研究.pdf

1、高精度磁場測量技術在礦產(chǎn)資源探測，地質災害預警，生物醫(yī)學和基礎物理學等領域有著廣泛的應用。在眾多的磁場測量技術中，近十年來迅速發(fā)展的原子磁力儀擁有目前最高的測磁靈敏度。本文提出了一種基于Bell-Bloom結構和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案，并據(jù)此研制成功了一套完整的銫原子磁力儀系統(tǒng)。在此過程中，主要研究了以下幾個方面的內容。
　?。?）介紹了高精度磁測技術的應用背景，回顧了量子磁力儀的發(fā)展歷程。對國內外各種原子磁力儀的發(fā)展現(xiàn)

2、狀進行了詳細的介紹，在此基礎上，總結了原子磁力儀的發(fā)展趨勢。
　　（2）提出了一種基于Bell-Bloom結構和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀方案。從理論上分析了由光泵浦引起的銫原子的自旋極化以及圓二向色性檢測過程，建立了銫原子磁力儀的理論模型。
　?。?）研究了基于線性磁光效應穩(wěn)頻的技術。對其進行了詳細的理論和實驗分析。實驗研究了不同角度下，零點頻率的偏移特點。對激光器在原子共振線附近一定失諧范圍內連續(xù)鎖頻提供了參考，并且無

3、需另加調制信號，避免了人為抖動帶來的噪聲。
　?。?）設計了銫原子磁力儀的整體方案和具體的物理系統(tǒng)結構，并完成了磁力儀物理系統(tǒng)的搭建。對物理系統(tǒng)各部分的組成進行了詳細的研究，研制了熱氣流加熱裝置，并采用光纖光柵對銫原子氣室進行溫度監(jiān)測。在完成各部分的研制和測試工作后，最終完成了銫原子磁力儀物理系統(tǒng)的搭建。
　?。?）對銫原子磁力儀物理系統(tǒng)的相關參數(shù)進行了實驗研究，給出了一套最優(yōu)化參數(shù)。測試了原子磁力儀物理系統(tǒng)的頻率響應特性，

4、分析了磁力儀物理系統(tǒng)的靈敏度，實驗結果表明銫原子磁力儀物理系統(tǒng)在100 nT附近的靈敏度達到了0.1 pT/Hz1/2的水平。對影響磁力儀性能的相關參數(shù)，如激光頻率、激光光強、光斑大小和調制波形等進行了定量的實驗研究。
　　（6）完成了銫原子磁力儀閉環(huán)系統(tǒng)的研制，并進行了實際測試。在對恒定磁場進行1分鐘連續(xù)測量時，磁力儀閉環(huán)系統(tǒng)的時域峰峰值抖動在3 pT以內，在進行1小時連續(xù)測量時，峰峰值抖動在9 pT以內，閉環(huán)后磁力儀系統(tǒng)的靈敏

5、度達到了0.12 pT/Hz1/2，磁力儀的響應速度為1.2 Hz。
　　在本課題的工作中，取得了一些新穎的研究成果：
　　（1）利用激光強度調制和圓二向色性檢測方法，在詳細推導銫原子磁力儀的極化、檢測和弛豫等過程的基礎上，建立了一套完整的Bell-Bloom磁力儀系統(tǒng)的理論模型，給出了相應的理論響應譜線。
　?。?）成功搭建了基于Bell-Bloom結構和圓二向色性檢測的銫原子磁力儀開環(huán)物理系統(tǒng)，在40?C的較低溫度

6、下，實現(xiàn)了銫原子磁力儀物理系統(tǒng)0.1 pT/Hz1/2的靈敏度。
　?。?）對影響磁力儀靈敏度的的相關因素，激光頻率，激光光強，光斑大小和調制波形與調制幅度等進行了定量的實驗研究，給出了一套優(yōu)化參數(shù)，并應用于實際測量系統(tǒng)中。
　?。?）實現(xiàn)了磁力儀系統(tǒng)的閉環(huán)工作，成功研制了一套完整的、能自主工作的銫原子磁力儀系統(tǒng)。在對穩(wěn)定磁場進行1分鐘連續(xù)測量時，銫原子磁力儀的測量峰峰值抖動小于3 pT。在進行1小時連續(xù)測量時峰峰值抖動小于