磁場對原子磁力儀相關(guān)光譜影響的研究.pdf

1、微弱磁場的精確測量，作為研究磁體性質(zhì)、分析物質(zhì)形態(tài)的一種重要手段，在實際應(yīng)用中起著重要作用，例如生物體磁場的測量、地形地貌的研究、材料缺陷的檢測、礦產(chǎn)油氣的勘察、水下磁性目標(biāo)的定位等。目前已廣泛應(yīng)用的、技術(shù)比較成熟的磁力儀種類包括磁通門磁力儀、核子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀和超導(dǎo)磁力儀等，雖然這些磁力儀的靈敏度都比較高，但是弱磁探測領(lǐng)域?qū)Υ帕x設(shè)備的的迫切需求，因此提高磁測靈敏度成為磁力儀發(fā)展的必然趨勢。目前正處于研制階段的新型磁力儀—原子

2、磁力儀，在磁測靈敏度水平上將會帶來新的突破。
　　本文首先講述了磁力儀在多個領(lǐng)域的重要應(yīng)用；闡述了高分辨率光譜與磁場的關(guān)系在原子磁力儀研制中的重要性；給出了原子磁力儀相關(guān)光譜線型及線寬的主要特征及其影響因素；隨后針對本課題組目前已經(jīng)成功搭建的、微弱磁場下靈敏度為0.1pT/Hz1/2的Bell-Bloom銫原子磁力儀系統(tǒng)，理論分析了其在應(yīng)用于地磁場環(huán)境中時影響共振光譜變化、導(dǎo)致靈敏度降低的因素，并就該問題提出了可行性解決方案；最后

3、，針對實際應(yīng)用中系統(tǒng)過于復(fù)雜的問題，理論并實驗研究了銫原子 D2線消多普勒極化譜以及非線性磁光共振光譜與磁場的關(guān)系，尋求更為簡易化的原子磁力儀方案。以下是本文的主要研究內(nèi)容：
　　1、選用堿金屬銫（133Cs）原子作為原子磁力儀探頭中的工作物質(zhì)。重點分析了磁力儀探頭核心部件—原子氣室內(nèi)緩沖氣體的選擇問題，根據(jù) Cs原子氣室內(nèi)自旋交換碰撞、自旋破壞碰撞和原子與器壁碰撞等弛豫機(jī)制的基本原理，計算出了氣室內(nèi)緩沖氣體氦（He）和淬滅氣體氮

4、氣（N2）的最佳氣壓值，解決了保證原子磁力儀靈敏度的首要問題。
　　2、對試驗樣機(jī)研制過程中必需的零磁場環(huán)境進(jìn)行了說明，并針對磁屏蔽裝置形狀的設(shè)計和加工材料的選擇，進(jìn)行了詳細(xì)的討論和理論仿真，根據(jù)參數(shù)的理論最優(yōu)值加工制作的磁屏蔽裝置，達(dá)到了預(yù)期效果并滿足了實驗需求。
　　3、詳細(xì)描述了圓偏振泵浦光制備各向異性原子介質(zhì)的物理過程，并進(jìn)行了嚴(yán)格的理論推導(dǎo)。理論分析了地磁場下非線性塞曼效應(yīng)對Bell-Bloom原子磁力儀磁測靈敏度

5、的影響，并針對這一問題提出了可行性解決方案，消除了地磁場下非線性塞曼效應(yīng)對磁共振光譜的影響。
　　4、理論并實驗研究了縱向磁場導(dǎo)致的Cs原子D2線塞曼子能級移動和布局?jǐn)?shù)的變化對消多普勒極化譜的影響。發(fā)現(xiàn)極化譜的譜線特征不僅有利于實現(xiàn)激光穩(wěn)頻技術(shù)中頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)，而且其參數(shù)隨磁場變化的關(guān)系，為研制新型、簡易化原子磁力儀的提供了一種新的途徑。
　　5、針對系統(tǒng)過于復(fù)雜、不利于實際應(yīng)用的問題，我們研究了基于非線性磁光效應(yīng)的原子磁力

6、儀，由于其理論靈敏度高且系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Α榇?，本文對該類型原子磁力儀進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實驗研究。
　　本文的主要創(chuàng)新性成果包括：
　　1、成功搭建出基于非線性磁光效應(yīng)的銫原子磁力儀系統(tǒng)，并在激光頻率對應(yīng)Cs原子D2線Fg=3→Fe=2共振躍遷、激光光強為2.0mW/cm2時，在室溫下實現(xiàn)了5.3pT/Hz1/2的磁測靈敏度。目前國內(nèi)尚未見此類磁力儀研究的相關(guān)報道；
　　2、理論分析了非線性磁光