铯原子自激式光泵磁力仪磁传感系统的研究

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1、铯原子自激式光泵磁力仪磁传感系统的研究StudyonMagneticSensingSystemofCesiumSelf-OscillatedOpticallyPumpedMagnetometer学科专业：仪器科学与技术研究生：孟佳旭指导教师：郭敬滨天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月摘要自古至今人们对磁场的应用从未间断，如今弱磁检测技术在各行各业有着广泛的应用，包括生物医学检测、地理环境勘察、军事反潜侦察、航空物探测磁等。磁检测技术也依据实现原理的不同分为多种，其中光泵磁力仪具有高灵敏

2、度、高精度、结构相对简单、小型化的特点，本文对光泵磁力仪进行了研究。光泵磁力仪的高精度测磁原理是基于原子在弱磁环境下发生的塞曼效应与光抽运效应，以及光磁共振现象。按照工作物质、信号反馈方式、激发方式的不同，光泵磁力仪又可分多种类型。本文研究铯原子自激式射频激发光泵磁力仪。现阶段国内有多家以高校为主的研究机构对磁力仪展开研究，也有几个有磁力仪成品仪器的研究所，可达到的性能指标在不断提高，但在灵敏度、精度、小型化等方面相比世界先进水平仍有一定的距离。因此，我国弱磁检测技术仍有较大的发展空间。本文研究了

3、铯光泵磁力仪系统实现测磁的物理学基础；分析了光学参数对共振粒子数影响；进行了光学系统与电学系统的分析、设计与搭建，使系统能正常工作；分析、修正了用于标定磁力仪的磁屏蔽筒的磁屏蔽系数，并建模验证各尺寸参数对磁屏蔽效能的影响规律。论文的主要工作如下：（1）论述了光泵磁力仪发展历史与磁屏蔽装置的研究现状；理论分析了铯原子自激式光泵磁力仪的物理原理，包括铯原子的塞曼分裂、光抽运效应以及光磁共振作用，理论推导铯原子光泵磁力仪的磁测公式；对光磁共振中的原子磁矩和光学信号进行了表达式推导，分析验证了光学参数对磁

4、共振粒子数的影响。（2）基于标定磁力仪的需求，对铯光泵磁力仪的磁屏蔽装置进行了设计与参数优化分析。理论分析了磁屏蔽原理；推导、修正了多层磁屏蔽筒的磁屏蔽公式；仿真验证了尺寸参数对磁屏蔽效能的影响，为设计磁屏蔽筒的设计与优化提供分析依据。（3）分析了光学系统、电学系统的实现原理与各模块的信号变化，依据系统各部分性能要求，设计并调试了光学参数、电学参数，最终实现了实验系统的搭建。关键词：铯光泵磁力仪；光磁共振；自激振荡；磁屏蔽IABSTRACTSinceancienttimes,peoplehaven

5、everstoppedusingthemagneticfield.Today,theweakmagneticfielddetectiontechnologyhasbeenwidelyusedinvariouswalkslife,includingbiomedicaltesting,geo-environmentinvestigation,militaryanti-submarinesurveillanceandaero-geophysicaldetectionandsoon.Magneticdet

6、ectiontechnologyisalsodividedintoseveraltypesbasedondifferentprinciples,amongwhichopticallypumpedmagnetometer(OPM)hasfeatureslikehighersensitivityandaccuracy,relativelysimplestructure,miniaturization,easierforintegration.Inthispaper,OPMisstudied.OPMac

7、hievedmagneticfielddetectionbasedonatomicZeemanEffectandOpticalPumpingEffectandoptical-magneticresonanceunderweakmagneticenvironment.Accordingtothedifferentworkingsubstance,signalfeedbackmethods,excitationmodes,OPMcanbedividedintoseveraltypes.Inthispa

8、per,cesiumself-oscillated&RFexcitedOPMisstudied.Atpresent,thereareseveraldomesticresearchinstitutionbasedonuniversitieshasbeendoingresearchonmagnetometerandsomeinstituteshavedevelopedmagnetometerproduct,theperformanceofwhichcontinuetoimprove.B