【摘要】：磁場精密測量在礦產勘探、地質檢測、生物醫(yī)學、航天航空等方面均有廣泛的應用。在過去的近半個世紀里,隨著人們對光場及原子性質的了解不斷深入,以光與原子相互作用為基本原理的磁力儀得以實現(xiàn)并不斷發(fā)展。目前原子磁力儀的靈敏度可達到fT/(?)乃至0.1fT/(?)量級,且可以實現(xiàn)對近零磁場、非零磁場以及地磁、標量與矢量磁場的測量,具有廣闊的應用前景。人們在實驗上開展了大量原子測磁的相關工作,這些工作可以幫助我們認識原子與磁場及原子與光場之間的相互作用,了解原子測磁系統(tǒng)中影響磁測量的因素,進而可以通過優(yōu)化系統(tǒng)提高磁場測量靈敏度。本論文的主要研究內容是線極化的原子測磁系統(tǒng)的相關理論和實驗。我們在了解了如何利用原子對磁場進行測量的基礎之上,進一步掌握了靈敏度的測量辦法。并結合理論搭建了原子測磁系統(tǒng),進而對影響磁測量的因素進行了分析和解釋。本文工作主要分為以下幾個部分:1)回顧并介紹了磁測量的發(fā)展及原子測磁系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。2)介紹了如何利用密度矩陣描述光場的偏振以及原子的極化,并結合原子極化的可視化模型,理解光極化原子的指向性及原子極化在磁場中的演化;3)設計并搭建了一套泵浦光和探測光均為線偏光的原子測磁系統(tǒng)。在系統(tǒng)搭建的過程中,對氣室內的自旋弛豫進行了分析,研究了磁場不均勻對磁測量的影響,并對無磁電加熱的器件和電路進行了初步設計;4)在探測光頻率對應銫原子D2線躍遷62S1/2F=4-62P3/2F=5,且泵浦光頻率分別對應銫原子D1線躍遷6281/2F=4-62P1/2F=3的條件下,對磁共振線寬與泵浦光光強的關系進行測量。在理論上通過建立簡化的原子能級模型對實驗結果進行解釋和說明。5)在泵浦光光強分別對應銫原子D1線躍遷6281/2F=4-62P1/2F=3(直接泵浦)和62S1/2F=3-62P1/2F=4(間接泵浦)的條件下,獲得了磁共振線寬、磁共振頻率處的信噪比和磁場測量靈敏度隨泵浦光光強的變化規(guī)律。在理論上,通過推導含自旋弛豫的速率方程對實驗結果進行了分析。6)在間接泵浦的情況下,分析了探測光的光強對磁測量的影響,實驗結果和理論分析均表明若泵浦光與探測光對應的基態(tài)不同,采用雙洛倫茲線型對磁共振譜線進行擬合更加合適;在直接泵浦的情況下,通過測量兩個氣室對磁場的響應,簡要分析了氣室內緩沖氣體的量對磁測量的影響;7)結合已經完成的實驗和理論模型,以及目前實驗室已有的研究基礎,提出了下一步對磁測量系統(tǒng)的優(yōu)化方案。
【圖文】：

圖 1.1 實驗室使用的磁通門磁力儀。1955 年，第一臺質子磁力儀在美國研制成功，這也是磁測量發(fā)展歷史上第一臺量子磁力儀。其基本原理是水中的氫原子核（即質子）在磁場中的磁共振，，通過測量

圖 1.2 原子磁力儀的工作原理[11]。原子實現(xiàn)對磁場的測量，其基本原理如下（圖 1.2）：處于磁場中的響而發(fā)生變化，這種變化和光與原子相互作用制備的原子態(tài)有關（
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P318.63

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本文編號：2612519