基于原子自旋自持再生方法的磁场精密测量研究

发布时间：2020-08-22 22:18

【摘要】：基于原子系统的磁场精密测量在诸如地球物理、资源勘探、导航、生命科学与医疗、基础物理等众多领域有着广泛而重要应用。高灵敏度的原子磁力仪是实现这类精密测量的核心,它通常利用原子自旋在外场中的拉莫尔进动以实现对磁场的绝对测量。然而在这类量子系统中,测量灵敏度往往受限于自旋的相干寿命τ0,在相干寿命尺度外,灵敏度随测量时间受限于τ-1/2。论文从延长τ0及探索在ττ0时优于τ-1/2的测量方法两方面出发,研究提高原子系统测量灵敏度的方法。论文首先探索延长自旋相干寿命的方法,研究碱金属原子内涂层气室的制备。气室制备工艺的改进倾向于经验性摸索,论文最终在球形α烯烃涂层气室中实现超过3 s的电子自旋纵向弛豫寿命并在柱形气室中实现30ms的超精细能级寿命。进一步,论文探索优于1/(?)的测量方法并证明,利用无损探测和相干泵浦,可将新制备的自旋信号的初相位参考到前次自旋相位上,能延续自旋相位信号的相干性,使自旋自持再生,持续进动,在长于其相干寿命尺度上实现1/(?)测量。论文基于85Rb原子自旋搭建自持再生原子磁力仪实验系统,研究自持再生方法中自旋进动信号的相位相干性随测量时间的变化。通过与Larmor进动同频同相的相干泵浦,自旋能自持再生,且在超过自旋相干寿命的尺度下,磁力仪灵敏度随测量时间仍能以1/(?)规律快速提高。1/τ的转折点出现在300 ms以后,比自旋相干寿命τ0 = 30 ms长一个量级,此时磁力仪灵敏度接近自旋投影噪声极限,达到240fT/(?) @ 1 Hz,受限于原子气室的工作温度。自持再生磁力仪输出连续的相位信号,方便运用滤波、混频等信号处理技术。在磁力仪基础上,论文搭建了混频方案的自持再生梯度测量系统,实现梯度近300fT/(?)@1 Hz的灵敏度。基于梯度测量,论文探索了一种新的磁场相位锁定方法:将Larmor进动信号锁相至参考晶振上以锁定目标磁场。相比于幅度锁定,相位锁定过程中噪声能以1/τ被快速降低。基于自旋自持再生方法,论文实现了原子磁力仪在ττo时的τ-1测量。τ-1可使测量噪声随时间快速下降至接近量子投影噪声水平,提高测量灵敏度。自持再生方法延长信号相位相干性的思想通用,也可用于原子钟等量子系统。1/(?)测量的累积误差为一常数而τ-1/2将以τ发散。T-1的实现方法无论对原子磁力仪还是对累积误差起着关键作用的频标、惯导等领域均有着重大意义。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH701

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本文编号：2801223