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全光半矢量原子磁力仪的设计

全光半矢量原子磁力仪的设计

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作者：栾保满哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

全光半矢量原子磁力仪,是一种高灵敏度全光铯原子磁力仪装置。原子磁力仪具有重重的意义和研究价值,美国麻省理工学院在名为《Technology Review》杂志上,将原子磁力仪评为十大新兴技术之一。原子磁力仪的工作原理是依据Cs原子拉莫尔进... 详细信息

全光半矢量原子磁力仪,是一种高灵敏度全光铯原子磁力仪装置。原子磁力仪具有重重的意义和研究价值,美国麻省理工学院在名为《Technology Review》杂志上,将原子磁力仪评为十大新兴技术之一。原子磁力仪的工作原理是依据Cs原子拉莫尔进动(Lamor Procession)频率正比于外界磁场强度的物理特性,通过对稳频894.6nm的激光器的强度调制,实现对Cs原子操控,进而产生原子极化和拉莫尔进动。同时,用另外一台852.3nm稳频激光器检测极化原子进动的频率,从而实现外界磁场的精确测量。磁力仪在当今具有重要的应用:在医学领域,通过对心脑弱磁检测观察磁场异常分布可以快速准确找到病灶位;在工业上,例如汽车生产的流水线上可以通过磁测量手段来观察金属表面的磁场分布,从而察看工件表面是否平滑,实现对其无损探伤的目的;在地质勘探领域,磁力仪可以快捷准确判断油井和矿产资源所处的位置;在军事领域中,磁力仪可在人造卫星上进行空间探测、深水潜艇定位、磁引信、地磁导航等技术发挥作用。传统磁力仪主要针对磁场大小的测量,而且测量水平已经达到了一定的水准,一种无自旋交换(SERF)钾原子磁力仪最高测量灵敏度可以达到0.54fT/Hz。目前,磁力仪的主要种类有很多,如基于法拉第电磁感应定律的磁通门磁力仪;利用质子在磁场中旋进的质子磁力仪;采用超导量子干涉器件的(SQUID)超导磁力仪和现如今研究的全光原子磁力仪(All Optical Atomic Magnetometer)。这些种类的磁力仪虽然在测量精度和灵敏度上已经达到一定要求,但是传统的磁力仪是在磁场方向已知情况下的单轴测量,对复杂环境和非标准磁场测量具有一定的局限性。设计的目的是基于全光铯原子磁力仪的实验系统建立一个压矢量磁场模型,并用该系统对压矢量进行测量,从而为矢量磁力仪的发展奠定基础。这种全光压矢量磁力仪不但具有传统全光铯原子磁力仪的高灵敏度而且还可以确定磁场的方向。本文通过以下四个部分对课题展开研究。第一部分首先对磁力仪的背景进行了详细的阐述,然后介绍了原子磁力仪国内外发展水平以及原子磁力仪在今后的发展趋势,最后提出本课题研究的内容、目的、意义和结构安排。第二部分针对磁力仪的工作原理展开叙述,基于本课题研究Cs原子在外界磁场条件下与光的相互作用,简单叙述了Cs原子的特性,瑟曼效应中拉莫进动及其碱金属原子的拉莫进动,铯原子能级结构中的瑟曼效应的精细结构和超精细结构。最后,介绍了自旋弛豫技术,磁力仪系统的数学描述和全光铯原子磁力仪系统的实现。第三部分是对激光器稳频技术的研究,在全光半矢量原子磁力仪的设计中,需要稳定的泵浦光和检测光,因此激光器稳频技术相当重要,这一部分介绍了三种激光器稳频技术:饱和吸收谱技术,消多普勒极化谱技术和原子二向色性激光稳频技术(DAVLL),本研究采用的是饱和吸收谱技术,因此详细地对饱和吸收谱技术的基本原理和实验研究进行了详细的阐述。第四部分对全光半矢量原子磁力仪的半矢量磁场的模型进行建立,对数学模型的关系式进行数学计算与推导,针对设计好的模型进行理论仿真与实验研究,最后对理论值和实验数据进行比较,分析全光半矢量原子磁力仪的性能指标。

关键词：原子磁力仪半矢量磁场 Cs原子激光稳频

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