【摘要】：無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁力計(jì)是目前靈敏度最高的磁場(chǎng)探測(cè)器,具有對(duì)低頻信號(hào)敏感、無需低溫、功耗低、易小型化等優(yōu)點(diǎn),從而得到了廣泛的應(yīng)用,其中零場(chǎng)-超低場(chǎng)磁共振探測(cè)是其一個(gè)重要應(yīng)用方向。相比于傳統(tǒng)的高場(chǎng)核磁共振,零場(chǎng)-超低場(chǎng)磁共振具有無需低溫、超窄線寬、譜學(xué)特性豐富等特點(diǎn),已經(jīng)被驗(yàn)證在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析、基礎(chǔ)物理研究等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而,零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振作為一個(gè)較新的領(lǐng)域,其理論基礎(chǔ)和控制技術(shù)方面亟需發(fā)展。圍繞“無自旋交換弛豫原子磁力計(jì)及其零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振的應(yīng)用”這一課題,本人在攻讀博士學(xué)位期間主要完成以下工作:1.在平臺(tái)建設(shè)方面,主要參與搭建了銣原子SERF磁力計(jì)和零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過對(duì)磁力計(jì)的工作溫度、激光頻率與波長等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了18fT/(?)的靈敏度;實(shí)現(xiàn)了零場(chǎng)強(qiáng)耦合自旋體系下自旋初態(tài)的制備、操控以及讀出等操作,單次實(shí)驗(yàn)的核磁共振信噪比可達(dá)100。該工作為基于SERF磁力計(jì)的零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振的研究提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件。2.在零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振譜學(xué)方面,基于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),獲得了一系列不同多自旋強(qiáng)耦合化學(xué)分子樣品的零場(chǎng)-超低場(chǎng)核磁共振譜;通過將龐特里亞金最大值原理和對(duì)稱約化方法結(jié)合,獲得了在零場(chǎng)條件下兩自旋體系的任意單自旋旋轉(zhuǎn)的時(shí)間最優(yōu)控制的解析解,并在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了該最優(yōu)控制操作,平均保真度達(dá)到99%,相比于之前的組合脈沖,該最優(yōu)控制可節(jié)約70-80%的時(shí)間;3.在理論上將自旋交換光泵理論模型擴(kuò)展到多原子氣體分子體系,并探究了光泵技術(shù)極化氣體分子的可行性,該工作對(duì)實(shí)現(xiàn)氣體核磁共振具有一定的指導(dǎo)作用。
【圖文】：

磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)作為認(rèn)知物理世界的重要物理技術(shù)，已被廣資源探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)中。由于對(duì)弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的廣泛需求，到不斷地提高。激光器的誕生起，由于其光學(xué)抽運(yùn)效率高，泵原子磁力計(jì)中。在堿金屬原子磁力計(jì)中，工作介質(zhì)主要有外層電子通過光泵方法獲得極化度，且在外部磁場(chǎng)作用下動(dòng)頻率可以獲得磁場(chǎng)大小。其基本原理如圖１．１所示，將一子獲得極化度，在外磁場(chǎng)作用下原子極化矢量做拉莫爾進(jìn)動(dòng)；向上有一束線偏振光，用以探測(cè)進(jìn)動(dòng)原子極化度在該方向上對(duì)線偏振光中左、右旋偏振分量的折射率不同，在通過氣體偏振方向會(huì)發(fā)生變化；通過檢測(cè)偏振度的變化，可以獲得磁年的發(fā)展，原子磁力計(jì)已經(jīng)具有非常高的靈敏度，其中無自ｘｃｈａｎｇｅ邋ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ邋ｆｒｅｅ，邋ＳＥＲＦ）原子磁力計(jì)具有極高的靈敏論上可達(dá)到２邋ａＴ／邋ｖ＾［７］，，目前已實(shí)現(xiàn)的靈敏度為０．１６仃／超過基于超導(dǎo)量子干涉器件（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｑｕａｎｔｕｍ邋ｉｎｔｅＵＩＤ）的磁力計(jì)。在下文中我們將對(duì)堿金屬磁力計(jì)的發(fā)展進(jìn)

圖１．２芯片級(jí)原子磁力計(jì)，（ａ）為結(jié)構(gòu)示意圖，（ｂ）為實(shí)物圖。逡逑（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｓｙｓｔｅｍｓ）技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)原子磁力計(jì)，其體積約為？逡逑２５ｃｍ３，磁力計(jì)靈敏度為５ｐＴ／ｙ＾，帶寬為１－ｌＯＯＨｚ。其裝置為圖１．２，左側(cè)圖逡逑代表探頭示意圖，從下到上依次為激光器、聚酰亞胺墊片、光學(xué)系統(tǒng)（包括中逡逑性片、起偏器，四分之一波片、中性片）、加熱系統(tǒng)、帶有ｒｆ線圈的Ｒｂ氣體室逡逑和光電二極管；右圖為實(shí)物圖，金色線為導(dǎo)線［１３］。２０１０年，Ｍ．Ｗｅｉｓｅｍｌ等人通逡逑過二向色性光學(xué)裝置將泵浦光和探測(cè)光集中在一光軸上，其裝置如圖１．３所示。逡逑在此裝置中，探測(cè)光和泵浦光源于兩個(gè)獨(dú)立光源，參數(shù)可分別調(diào)節(jié)，但是兩束光逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O657.2;TH89

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本文編號(hào)：2673198