基于CPT效应的高精度磁场探测实验研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文研究所：2013年5月ByDingSongheADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofScienceNationalSpaceScienceCenterChineseAcademyofSciencesMay,2013独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指

2、导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：互垒!整日期：型!墨：圭122关于论文使用授权的说明本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：j盈亟见证人：至弛日期：型!兰：￡：兰Z摘要高灵敏度

3、的弱磁场测量技术在科学研究、国防建设、工业生产、生物医疗等方面有着广泛的应用。近些年来发展起来的CPT效应原子磁力仪由于其高精度、高灵敏度、低功耗、小体积、无死区、不存在方向性误差的特点而引起了国内外科学家的重视和关注。加快发展、深入研究基于CPT效应的原子磁力仪，对推动我国高灵敏度弱磁探测技术发展和磁场探测仪器的小型化具有重大意义，也是打破欧美等国在高灵敏度磁力仪方面垄断地位的必由之路。本论文主要就CPT效应原子磁力仪进行了相关实验研究。通过调研，阐明了CPT效应的产生机制和进行磁场测量的机理，指出了采用CPT效应进行高精度磁测的可行性，设计了磁场测量的系统方

4、案，在实验室条件下搭建出了磁测系统装置，并测量分析了CPT共振信号，实现了对磁场的开环测量。通过对不同元素的对比，本论文确定了选用87Rb原子作为共振元素，87Rb原子的旋磁比较高，更容易实现窄线宽的共振谱线，即更高的灵敏度。本文采用了填充97Rb原子和一定缓冲气体的圆柱形玻璃泡作为原子气室，通过测试原子气室对795nm激光的吸收性能，确定了气室的最佳工作温度为65度。在加热方式上，本文采用了超级恒温水箱进行水循环的加热方式，温控精度达到0．05度。原子气室配合偏振片、1／4波片等光学器件共同构成了磁测系统的传感器部分。本论文采用了795nm的VCSEL激光器作

5、为相干光源，并设计了VCSEL激光器的驱动和控制电路，通过集成式TEC控制方式实现了激光器的高精度温控，控制精度达到了O．Ol度。为了得到CPT效应需要的多色相干光，本论文利用混频器和BiasTee对驱动信号进行了调制，从而使激光器产生频率差为6．8GHz的多色激光。在80度的工作温度和4．4mA的驱动电流下，激光器的输出波长稳定在794．95+_0．05nm，输出功率约为356uW，充分满足了激发CPT效应的需求。通过对调制频率的扫描以及锁相放大的方法，本论文得到了在磁场条件下的CPT共振曲线，实现了对磁场的开环测量，并对磁测系统灵敏度进行了分析，分析表明增加

6、气室的原子数密度、延长原子的横向弛豫时间、压缩谱线线宽是提高磁测灵敏度的有效方法。关键词：磁场测量；CPT效应；原子磁力仪；ABSTRACTTheweakmagneticfieldmeasurememiswidelyusedinmanyfields，suchasscientificresearch，nationaldefense，industry,bio·medicalsciences，andSOon．Thecoherentpopulationtrapping(CPT)magnetometerdevelopedinrecentyearsattractmanysc

7、ientists’attentionbecauseofitsadvantages，suchaShighresolution，smallsize，lowpowerconsumption，andnodeadzone．Doingsomein—depthstudyandacceleratingthedevelopmentofCPTmagnetometerareveryhelpfulforpromotingourcountry’Stechnologyoftheweakmagneticfieldmeasurememandtheminiaturizationofthemagn

8、etometer,and