原子微波磁场探测及其在微波腔谐振特性测量中的应用
发布时间：2021-06-05 23:59
近年来,原子微波测量由于其具有将微波量与国际标准单位联系起来的潜力,而成为国际研究热点之一。由此相继诞生了基于不同量子测量原理的原子微波电场计、原子微波磁场计和原子微波功率标准等。原子微波探测技术把电磁波的场强通过基本物理常量与拉比频率Ω直接联系起来,为电磁量的国际单位制溯源提供了基础。这种新型微波测量技术的最大优势在于不需要校准,且其理论测量精度远高于传统技术。本学位论文基于原子拉比共振理论开发了一种频率连续可调的宽带微波磁场探测技术,重点研究了该技术的工作原理,并将其用于微波器件的宽带特性评估。研究内容主要包括如下四个部分:首先,根据原子拉比共振理论给出了未知微波磁场的场强测量模型。原子微波场探测器是量子物理和经典物理相结合的产物,其研制开发牵涉到静场、微波场、光场与原子互作用等多个物理过程。基于此,本文介绍了磁场对原子的影响,建立了原子拉比频率Ω与待测微波磁场强度B的关系,并重点阐述了本论文所用的原子拉比共振理论和基于该理论导出的微波场测量模型。这一模型的基本工作原理在于,二能级原子与相位调制微波场之间的相互作用可引起基态原子发生拉比共振,共振信号振幅的幅度是调制频率ω的函数,这...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
原子微波电场计所用的能级图和实验装置
16(b)图 2-2 铯原子跃迁频率与静磁场的关系。(a)静磁场中的π跃迁；(b)静磁场中的σ跃迁如上分析，借由铯原子跃迁频率在静磁场作用下的连续可调性，我们可以实续可调的宽带微波磁场探测。与此同时，由于原子探测器具有频率选择特性，我们不仅可以探测已知频率微波场，也可以探测未知频率场。其基本原理已包前述理论讨论中，即当目标微波场频率未知时，通过调节静磁场使得微波-原振，记录共振时刻的静磁场值，并根据 Breit-Rabi 公式计算出原子跃迁频率，到了未知微波场的工作频率。故原子探测器除可以测量微波场强外，同时兼具仪的部分功能。
第三章 原子微波磁场探测器的实现原子气室一般由石英或派克斯玻璃等介电材料制作而成，其对目标场的扰于传统金属探头[13,14,25]。目前碱金属原子气室已广泛应用于多种类型的原子物理装置中，如陀螺仪共振[93]、磁力仪[94,95]、材料分析[96,97]、原子钟[98]和医学磁共振成像等[99型化甚至微加工的气室近年来也一直在不断被研究和改进，气室尺寸已几毫米量级，甚至可以做到更小。伴随这一气室加工工艺的进步，小型化级的原子钟、静磁场磁力仪和射频场磁力仪应运而生[101-103]。特别是可以一个“点”的微气室的应用，使得对场的空间分布信息测量成为可能[46]本论文采用铯原子(Csatoms)作为工作物质，其熔点为28.5°C。基于实验设子气室要放置于截面为 22.86 mm × 10.16 mm 的 X 波段微波腔中，这对寸提出了要求。同时，气室也不能过小，否则热量无法通过腔壁传导至铯设计加工的气室如下图所示，其直径约为 20 mm，高度约为 10 mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microwave interrogation cavity for the rubidium space cold atom clock[J]. 任伟,高源慈,李唐,吕德胜,刘亮. Chinese Physics B. 2016(06)
[2]基于里德堡原子的电场测量[J]. 黄巍,梁振涛,杜炎雄,颜辉,朱诗亮. 物理学报. 2015(16)
[3]Design and test of the microwave cavity in an optically-pumped Rubidium beam frequency standard[J]. 刘畅,王延辉. Chinese Physics B. 2015(01)
[4]用于光抽运铯束频标的袖珍半导体激光锁频系统[J]. 王凤芝,杨东海,王义遒. 计量学报. 1994(02)
博士论文
[1]小型光抽运铯束原子频率标准关键技术研究[D]. 李孝峰.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2015
[2]高频和微波功率基准及其应用研究[D]. 刘欣萌.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3213162
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
原子微波电场计所用的能级图和实验装置
16(b)图 2-2 铯原子跃迁频率与静磁场的关系。(a)静磁场中的π跃迁；(b)静磁场中的σ跃迁如上分析，借由铯原子跃迁频率在静磁场作用下的连续可调性，我们可以实续可调的宽带微波磁场探测。与此同时，由于原子探测器具有频率选择特性，我们不仅可以探测已知频率微波场，也可以探测未知频率场。其基本原理已包前述理论讨论中，即当目标微波场频率未知时，通过调节静磁场使得微波-原振，记录共振时刻的静磁场值，并根据 Breit-Rabi 公式计算出原子跃迁频率，到了未知微波场的工作频率。故原子探测器除可以测量微波场强外，同时兼具仪的部分功能。
第三章 原子微波磁场探测器的实现原子气室一般由石英或派克斯玻璃等介电材料制作而成，其对目标场的扰于传统金属探头[13,14,25]。目前碱金属原子气室已广泛应用于多种类型的原子物理装置中，如陀螺仪共振[93]、磁力仪[94,95]、材料分析[96,97]、原子钟[98]和医学磁共振成像等[99型化甚至微加工的气室近年来也一直在不断被研究和改进，气室尺寸已几毫米量级，甚至可以做到更小。伴随这一气室加工工艺的进步，小型化级的原子钟、静磁场磁力仪和射频场磁力仪应运而生[101-103]。特别是可以一个“点”的微气室的应用，使得对场的空间分布信息测量成为可能[46]本论文采用铯原子(Csatoms)作为工作物质，其熔点为28.5°C。基于实验设子气室要放置于截面为 22.86 mm × 10.16 mm 的 X 波段微波腔中，这对寸提出了要求。同时，气室也不能过小，否则热量无法通过腔壁传导至铯设计加工的气室如下图所示，其直径约为 20 mm，高度约为 10 mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microwave interrogation cavity for the rubidium space cold atom clock[J]. 任伟,高源慈,李唐,吕德胜,刘亮. Chinese Physics B. 2016(06)
[2]基于里德堡原子的电场测量[J]. 黄巍,梁振涛,杜炎雄,颜辉,朱诗亮. 物理学报. 2015(16)
[3]Design and test of the microwave cavity in an optically-pumped Rubidium beam frequency standard[J]. 刘畅,王延辉. Chinese Physics B. 2015(01)
[4]用于光抽运铯束频标的袖珍半导体激光锁频系统[J]. 王凤芝,杨东海,王义遒. 计量学报. 1994(02)
博士论文
[1]小型光抽运铯束原子频率标准关键技术研究[D]. 李孝峰.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2015
[2]高频和微波功率基准及其应用研究[D]. 刘欣萌.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3213162
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