基于射频场激发矢量铯原子磁力仪的理论研究

摘要

磁场作为物质本身及物质与物质相互作用中广泛存在的一种物理量，也是人类最早认知的物理现象之一，一直以来都受到科学家们的关注。作为科学研究热门，磁场的测量技术也随着实际应用的需求而向着越来越精密的方向发展。其中磁场测量的方法和仪器有很多，最常见的有感应线圈磁力仪、磁通门磁力仪、超导量子干涉磁力仪、原子磁力仪。其中由于原子磁力仪的广泛的应用，例如生物磁场领域的脑磁图、心磁图的测量;空间磁场领域的地球磁场测量、宇宙磁场信息测量;核磁共振领域的磁共振成像、磁梯度仪;国防军事领域的探测未爆炸炸弹、反潜艇飞机，由于其灵敏度高，成本低，利于小型化等特点被大量的研究。不同的应用对于磁力仪有不同的要求，国内外对于原子磁力仪的研究在于研究其结构原理、提高灵敏度和准确度、小型化，以及基于原子磁力仪的磁成像的更高的分辨率。本文就基于射频场激发的矢量原子磁力仪展开讨论，对其结构分类进行详细描述并给出其信号表达式，然后在此基础上进行理论分析和模拟计算。
　　在本文中，首先介绍了原子磁力仪近15年来的国内外发展现状，提出原子磁力仪研究的重要意义。特别是对于矢量场的测量为现今磁力仪测磁的发展方向。
　　随后，对矢量原子磁力仪进行基于泵浦光极化的分类，重点分析了基于圆偏振光泵浦的矢量极化原子磁力仪和基于线偏振光泵浦的张量极化原子磁力仪。建立了这两种原子磁力仪的结构模型，分析其所获得的信号公式。
　　然后，提出共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究，利用线偏振光激发原子张量磁矩在矢量磁场中进动。通过求刘维尔方程的稳态解，得出信号中的直流，一次谐波，二次谐波部分。对于这三种信号的分析讨论及理论研究，可以得到矢量磁场的全部信息。结果表明该磁力仪具有构成磁力仪阵列、磁定位、水下磁异常源的检测和地磁导航等应用。
　　最后，介绍了原子磁力仪中原子气室的重要作用以及原子气室的重要指标参数，驰豫率。同时介绍了基于外磁场的原子气室中的汉勒效应，并对纵向汉勒效应和横向汉勒效应进行了理论的分析研究。在理论和实验条件下完成了基于纵向汉勒效应的原子气室驰豫率测量。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景和研究意义

1．2磁力仪的国内外研究现状

1．3本文的研究内容及工作意义

1．4本章小结

第2章原子磁力仪基本原理

2．1引言

2．2基于原子磁力仪的原子极化效果

2．2．1矢量极化(Orientation)

2．2．2张量极化(Alignment)

2．3基于矢量极化(Orientation)的原子磁力仪

2．3．1 Mz和Mx原子磁力仪

2．3．2 Mx磁力仪

2．3．3 Mz磁力仪

2．4基于张量极化(Alignment)磁力仪

2．5本章小结

第3章共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究

3．1序言

3．2共振线极化光实现原子矢量磁力仪理论模型

3．3共振线极化光实现原子矢量磁力仪信号分析

3．3．1透射的直流分量

3．3．2透射的一次谐波分量

3．3．3透射的二次谐波分量

3．3．4磁场方向分析

3．4本章小结

第4章基于纵向汉勒效应的原子气室弛豫率测量

4．1序言

4．2射频场激发作用下的Mx矢量磁力仪的理论计算

4．3射频场激发作用下的铯原子Mx矢量磁力仪测量矢量磁场

4．3．1基态汉勒效应

4．3．2基于纵向基态汉勒效应的铯原子气室弛豫率测量

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果

致谢