提高地磁环境下原子磁力计灵敏度的研究

论文摘要

磁场的精密测量在众多领域有着广泛的应用。其中,原子磁力计由于其灵敏度高并且易于小型化的优势,受到人们的重视。近年来,基于非线性磁光效应的原子磁力计发展迅猛,在零磁环境下,其灵敏度已经达到了低于fT/（?）量级成为了最灵敏的磁力计之一,其应用领域包括:在物理学中对称性的测量、在地理学中对人造的或自然界中的磁场异常现象（包括预测地震）的测量、在材料科学中对磁性材料及磁性颗粒的研究、在核磁共振中的信号探测、在生命科学中对心磁或脑磁的测量、在天文学中对宇宙磁场的测量。当原子磁力计工作在地磁环境下时,其面临的问题有非线性塞曼效应、航向误差、各个探头间的串扰、偏振自旋转效应、磁场梯度、磁场噪声等。其中,非线性塞曼效应和偏振自旋转效应是由于在地磁量级磁场下原子与磁场、原子与光场之间的耦合产生的,这两种效应是限制地磁环境下原子磁力计的灵敏度的主要因素。因此解决这两种效应对原子的干扰,提高原子磁力计在地磁环境下的灵敏度,是原子磁力计进一步发展并拓展应用的至关重要的一步。然而这两种效应都来自于原子与外界耦合,是无法通过技术手段改进,需要深入理解原子和外界耦合机制。本文主要从物理机制上分析讨论了非线性塞曼效应和偏振自旋转效应对原子磁力计的影响,针对基于非线性磁光旋转的原子磁力计,提出了提高地磁量级下磁力计灵敏度的几种物理方法。原子磁力计的灵敏度是由该磁力计的信号大小、线宽宽度及噪声水平决定的。在地磁量级磁场下,原子磁力计的线宽与信号受限于非线性塞曼效应,自旋转效应会限制原子磁力计的噪声水平。为了提升地磁场下原子磁力计的灵敏度,针对这两个效应,我们做了如下研究:1.地磁量级的磁场会在原子磁力计中引入非线性塞曼效应,会导致磁共振信号的劈裂、展宽及非对称性并且造成航向误差。我们提出自旋锁定技术,通过对原子施加一个和原子自旋同步旋转的射频场,提高了磁力计的信号,压窄了线宽宽度,极大的提高了地磁场下原子磁力计的灵敏度、去除了航向误差。2.在磁力计的应用中（例如脑磁、心磁测量等）经常需要多个临近探头同时工作。此时,由于自旋锁定引入的全局施加的射频场会导致磁力计探头间发生串扰。为了让自旋锁定场局域在单个磁力计内,不影响其他磁力计工作,我们利用光场的AC-Stark效应,发展了全光的自旋锁定技术。用强度及偏振调制的光场代替射频场。该方法在实现线宽压制、信号增强的同时,可消除多个探头之间的串扰,为发展高空间分辨率磁力计打下基础。3.偏振自旋转是伴随着光与原子相互作用出现的效应。该效应会改变信号光场的噪声,从而限制原子磁力计测量的噪声水平。我们研究了在有偏置磁场的情况下,偏振自旋转效应对信噪比的影响。此时噪声与磁力计的信号都会随着光场水平偏振分量与垂直偏振分量的相位差发生变化。我们通过选择合适的相位差对信号光场进行测量,可以提高磁力计的信噪比。在最优条件下,信噪比可以提高10 dB。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 量子磁力计分类

1.1.1 超导量子干涉磁力计

1.1.2 原子磁力计

1.1.3 腔光机械磁力计

1.1.4 NV色芯磁力计

1.2 原子磁力计研究进展

1.2.1 线性磁光旋转

1.2.2 非线性磁光旋转

1.3 地磁环境下原子磁力计的研究

1.3.1 磁场动态补偿

1.3.2 非线性塞曼效应及航向误差的消除

1.3.3 磁场噪声的抑制

1.3.4 探头串扰的消除

1.3.5 偏振自旋转效应的消除

1.4 灵敏度分析

1.5 本文研究内容及结构

第二章原子磁力计基本原理

2.1 原子状态的描述

2.1.1 密度矩阵

2.1.2 密度矩阵的旋转

2.1.3 角动量几率面

2.1.4 运动方程

2.2 原子与磁场相互作用

2.2.1 塞曼劈裂

2.2.2 拉莫尔进动

2.2.3 量子拍频

2.3 光场状态的描述

2.3.1 光场的偏振

2.3.2 光场在介质中的传播

2.4 原子与光场相互作用

2.4.1 哈密顿量

2.4.2 AC-Stark频移

2.4.3 相互作用后原子性质的改变–光学泵浦

2.4.4 相互作用后光场性质的改变–信号探测

2.5 探测磁共振信号

2.6 小结

第三章磁力计中的量子噪声

3.1 原子投影噪声

3.2 光场的散粒噪声极限

3.3 自旋转效应

3.4 小结

第四章射频场的自旋锁定

4.1 自旋锁定的理论模型

4.1.1 自旋锁定的基本概念

4.1.2 F=1系统中的解析解

4.1.3 Cs原子系统中的数值解

4.2 实验方案

4.3 实验结果

4.3.1 非线性塞曼效应的消除

4.3.2 航向误差的消除

4.3.3 自旋锁磁力计的带宽研究

4.4 小结

第五章全光的自旋锁定

5.1 理论模拟

5.1.1 利用光致频移产生等效磁场

5.1.2 磁共振信号模拟

5.2 实验装置

5.3 实验结果

5.3.1 光致频移

5.3.2 频移光的调制方案

5.3.3 相位关系

5.3.4 线宽随频移光功率与失谐的关系

5.4 小结

第六章抑制地磁场磁力计中的量子噪声

6.1 理论分析

6.1.1 信号分析

6.1.2 噪声及信噪比分析

6.1.3 耦合系数

6.2 实验装置

6.3 实验结果

6.4 小结

第七章总结与展望

附录A 欧拉角

附录B 旋转波近似

参考文献

攻博期间发表的科研成果目录

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 包谷之

导师: 张卫平,陈丽清

关键词: 原子磁力计,地磁场测量,非线性塞曼效应,自旋转效应,自旋锁定

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 华东师范大学

分类号: P318.61

DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000041

总页数: 115

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