基于热原子系综的精密测量

论文摘要

热原子系综是未来精密测量领域重要的研究对象,基于热原子系综的精密测量装置有原子磁强计、原子自旋陀螺仪等。极化的原子会绕着外磁场做拉莫尔进动,进动的频率与外磁场大小有关,原子磁强计是通过探测原子自旋的进动频率来推测磁场的大小,目前,这种磁强计是理论灵敏度和实验灵敏度最高的磁强计;核磁共振陀螺仪也是通过测量原子自旋的进动频率来得到载体转动角速度的大小,这个进动频率包含原子的拉莫尔进动频率和载体的转动角速度,通过探测到的频率和已知的拉莫尔进动频率可以推算出载体的转动角速度。核磁共振陀螺仪具有高精度、结构简单、易于小型化等优点,是未来陀螺仪发展的重要方向之一。此外,我们还提出了一种基于碱金属气室的转动传感器,该传感器可以连续测量角位移,进而可提取角速度和角加速度信息,这对于实时观察发动机高速旋转,监测发动机的旋转稳定性具有重要意义,这个工作为开发高精度、紧凑性和低成本的原子蒸汽传感器提供了可能性。本论文一共包含七章内容。第一章是引言,主要总结了前人在原子磁强计、原子自旋陀螺仪、角度测量装置方向的研究工作。第二章介绍了基于热原子系综精密测量的基本物理原理,包括碱金属原子的能级结构、碱金属原子与光的相互作用。第三章介绍了基于热原子系综精密测量的实验装置,包括实验光路部分、原子气室组分以及选择、磁场的产生和控制系统、磁屏蔽系统、无磁电加热系统。其中,实验光路部分包括泵浦光和探测光。我们利用饱和吸收谱技术来稳定激光器的频率,利用声光调制器来反馈稳定激光器的功率。原子气室中充有碱金属原子、缓冲气体、淬灭气体。我们利用Thorlabs电流源在线圈上施加电流来控制磁场,磁屏蔽装置的材料是坡莫合金,无磁电加热系统采用薄膜电阻加热。第四章介绍了一种基于热原子系综的角度测量装置,我们提出了一种基于碱金属气室的转动传感器,将四分之一波片固定在待测物体上,当物体转动时,线偏振光经过固连在物体上的四分之一波片时,偏振状态会发生变化,导致原子气室吸收不一样,通过探测气室的透射光强可以得到四分之一波片的转动角度或角速度,即为待测物体的转动角度或角速度,目前,这种角度测量装置的灵敏度为1× 10-5o/（?）。第五章介绍了基于热原子系综的磁强计,包括Bell-Bloom磁强计、射频磁强计、参数振荡磁强计,目前,我们磁强计达到的灵敏度都是在pT/（?）的量级。第六章介绍了基于热原子系综的核磁共振陀螺仪,我们得到了核磁共振信号并且实现了对核自旋的操控,提出了一种实时反馈机制,并且给出了数值模拟的结果,证明了这种反馈机制的有效性。此外,我们还实现了核磁共振陀螺仪的闭环测试,对惯性信号进行频谱分析,在低频区域,得到的闭环陀螺仪的灵敏度为3°/（?）左右,利用阿伦方差分析闭环陀螺仪在三个小时内的频率漂移得到的零偏稳定性为10°/h。第七章总结了整个论文的工作,并且对未来做了展望,提出了新的研究问题。图98幅,表1个,参考文献128篇。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 原子磁强计
•   1.2 原子陀螺仪
•     1.2.1 核磁共振陀螺仪
•     1.2.2 SERF原子自旋陀螺仪
•     1.2.3 原子干涉陀螺仪
•   1.3 角度、角速度测量装置
• 2 基于热原子系综精密测量的基本物理原理
•   2.1 碱金属原子电子结构
•   2.2 碱金属原子与光的相互作用
•     2.2.1 光吸收和吸收线型
•     2.2.2 光泵浦
•     2.2.3 法拉第旋转
•   2.3 本章小结
• 3 基于热原子系综精密测量的实验装置
•   3.1 实验光路
•   3.2 稳定激光频率系统
•     3.2.1 饱和吸收谱（SAS）
•     3.2.2 锁相放大器的基本原理
•     3.2.3 激光稳频原理
•   3.3 稳定激光功率系统
•   3.4 原子气室和气体组分
•   3.5 磁场产生和控制系统
•   3.6 磁屏蔽系统
•   3.7 无磁电加热系统
•   3.8 本章小结
• 4 基于热原子系综的角度精密测量
•   4.1 角度测量实验系统以及原理
•   4.2 实验信号以及影响因素
•   4.3 噪声分析
•   4.4 本章小结
• 5 基于热原子系综的磁强计
•   5.1 原子磁强计的灵敏度
•   5.2 Bell-Bloom磁强计
•     5.2.1 泵浦光和探测光垂直的方案
•     5.2.2 泵浦光和探测光平行的方案
•     5.2.3 磁强计的闭环以及灵敏度
•   5.3 射频磁强计
•     5.3.1 射频磁强计的基本原理以及电子自旋共振信号
•     5.3.2 利用射频磁强计标定y方向的磁场
•   5.4 参数振荡磁强计
• 1、T₂'>    5.4.1 泵浦速率、充有Xe的气室中电子自旋的自旋弛豫时间T₁、T₂
•     5.4.2 参数振荡磁强计的基本原理
•     5.4.3 参数振荡磁强计解调相位的选择
•     5.4.4 实验参数优化
•   5.5 本章小结
• 6 基于热原子系综的核磁共振陀螺
•   6.1 核磁共振信号以及核自旋的控制
•     6.1.1 核磁共振信号
•     6.1.2 核自旋的操控
•   6.2 核磁共振陀螺信号以及闭环控制
•     6.2.1 内嵌参数磁力仪的闭环
•     6.2.2 核自旋驱动磁场频率的闭环
•     6.2.3 PID闭环的原理以及参数选择
•     6.2.4 噪声影响
• 129Xe和¹³¹Xe旋磁比的比值的测量'>  6.3¹²⁹Xe和¹³¹Xe旋磁比的比值的测量
•   6.4 核磁共振陀螺仪灵敏度标定
•   6.5 核磁共振陀螺仪的零偏稳定性
•   6.6 本章小结
• 7 总结和展望
• Bibliography
• 发表论文目录
• 作者简历
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张科

导师: 赵楠

关键词: 热原子系综,磁强计,核磁共振陀螺仪,角度测量,电子自旋,核自旋,灵敏度

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国工程物理研究院

分类号: O562

总页数: 148

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