全光半矢量原子磁力儀的設(shè)計.pdf

1、全光半矢量原子磁力儀，是一種高靈敏度全光銫原子磁力儀裝置。原子磁力儀具有重重的意義和研究價值，美國麻省理工學(xué)院在名為《Technology Review》雜志上，將原子磁力儀評為十大新興技術(shù)之一。
　　原子磁力儀的工作原理是依據(jù)Cs原子拉莫爾進(jìn)動（Lamor Procession）頻率正比于外界磁場強(qiáng)度的物理特性，通過對穩(wěn)頻894.6nm的激光器的強(qiáng)度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對Cs原子操控，進(jìn)而產(chǎn)生原子極化和拉莫爾進(jìn)動。同時，用另外一臺852.

2、3nm穩(wěn)頻激光器檢測極化原子進(jìn)動的頻率，從而實(shí)現(xiàn)外界磁場的精確測量。
　　磁力儀在當(dāng)今具有重要的應(yīng)用：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過對心腦弱磁檢測觀察磁場異常分布可以快速準(zhǔn)確找到病灶位；在工業(yè)上，例如汽車生產(chǎn)的流水線上可以通過磁測量手段來觀察金屬表面的磁場分布，從而察看工件表面是否平滑，實(shí)現(xiàn)對其無損探傷的目的；在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，磁力儀可以快捷準(zhǔn)確判斷油井和礦產(chǎn)資源所處的位置；在軍事領(lǐng)域中，磁力儀可在人造衛(wèi)星上進(jìn)行空間探測、深水潛艇定位、磁引信、地

3、磁導(dǎo)航等技術(shù)發(fā)揮作用。傳統(tǒng)磁力儀主要針對磁場大小的測量，而且測量水平已經(jīng)達(dá)到了一定的水準(zhǔn)，一種無自旋交換（SERF）鉀原子磁力儀最高測量靈敏度可以達(dá)到0.54fT/Hz1/2。目前，磁力儀的主要種類有很多，如基于法拉第電磁感應(yīng)定律的磁通門磁力儀；利用質(zhì)子在磁場中旋進(jìn)的質(zhì)子磁力儀；采用超導(dǎo)量子干涉器件的（SQUID）超導(dǎo)磁力儀和現(xiàn)如今研究的全光原子磁力儀（All Optical Atomic Magnetometer）。這些種類的磁力儀雖

4、然在測量精度和靈敏度上已經(jīng)達(dá)到一定要求，但是傳統(tǒng)的磁力儀是在磁場方向已知情況下的單軸測量，對復(fù)雜環(huán)境和非標(biāo)準(zhǔn)磁場測量具有一定的局限性。
　　設(shè)計的目的是基于全光銫原子磁力儀的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立一個壓矢量磁場模型，并用該系統(tǒng)對壓矢量進(jìn)行測量，從而為矢量磁力儀的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。這種全光壓矢量磁力儀不但具有傳統(tǒng)全光銫原子磁力儀的高靈敏度而且還可以確定磁場的方向。本文通過以下四個部分對課題展開研究。
　　第一部分首先對磁力儀的背景進(jìn)行了詳細(xì)

5、的闡述，然后介紹了原子磁力儀國內(nèi)外發(fā)展水平以及原子磁力儀在今后的發(fā)展趨勢，最后提出本課題研究的內(nèi)容、目的、意義和結(jié)構(gòu)安排。
　　第二部分針對磁力儀的工作原理展開敘述，基于本課題研究 Cs原子在外界磁場條件下與光的相互作用，簡單敘述了 Cs原子的特性，瑟曼效應(yīng)中拉莫進(jìn)動及其堿金屬原子的拉莫進(jìn)動，銫原子能級結(jié)構(gòu)中的瑟曼效應(yīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)。最后，介紹了自旋弛豫技術(shù)，磁力儀系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和全光銫原子磁力儀系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
　　第

6、三部分是對激光器穩(wěn)頻技術(shù)的研究，在全光半矢量原子磁力儀的設(shè)計中，需要穩(wěn)定的泵浦光和檢測光，因此激光器穩(wěn)頻技術(shù)相當(dāng)重要，這一部分介紹了三種激光器穩(wěn)頻技術(shù)：飽和吸收譜技術(shù)，消多普勒極化譜技術(shù)和原子二向色性激光穩(wěn)頻技術(shù)（DAVLL），本研究采用的是飽和吸收譜技術(shù)，因此詳細(xì)地對飽和吸收譜技術(shù)的基本原理和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
　　第四部分對全光半矢量原子磁力儀的半矢量磁場的模型進(jìn)行建立，對數(shù)學(xué)模型的關(guān)系式進(jìn)行數(shù)學(xué)計算與推導(dǎo)，針對設(shè)計好