基于键合多反射腔的原子磁力仪
发布时间：2020-12-05 16:07
原子磁力仪利用原子的自旋进动实现对磁场的探测。提高灵敏度、响应速度、测量范围、空间分辨率,以及降低体积和功耗是原子磁力仪一直追求的目标。最近几十年,随着多种关键技术和原理的突破,原子磁力仪各单项性能取得了显著提高。未来一段时间,原子磁力仪在追求更高性能的同时将向着贴近实际应用的综合性方向发展。本研究便是围绕提高磁力仪灵敏度的同时保持磁力仪系统的小型化开展的,主要包含以下几个方面:首先搭建了一套用于制备含有多反射腔原子气室的阳极键合系统,并对键合系统的各个参数进行了研究,总结出了制作含有多反射腔原子气室的标准化流程。研究中搭建的阳极键合装置结构简单,制作流程标准化。因此很容易被复制和推广,预期具有一定的应用潜力。此后,我们将标准化制作的含多反射腔的原子气室应用于标量磁力仪（scalar magnetometer）中。标量磁力仪有较大的探测带宽和动态范围,但受限于原子的弛豫时间,其探测的灵敏度还有提升的空间。利用厘米量级的含有多反射腔的原子气室,我们在闭环工作模式下将标量磁力仪探测灵敏度提高到了 50fT/Hz1/2以内。最后,我们利用多反射腔和双Bell-Bloom抽运相结合的方法实现了...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?８ＳＲｂ原子能级结构图??原子在各塞曼子能级之间的磁偶极跃迁时需服从选择定则ＡｍＦ?＝?０，?±?１
?第１章绪论???Ｂ八??一一???ｃ?－－；＞??〇）Ｌ?＇＇?，??／??科／?、丨??＇、、、、一ｙ??图１．２原子磁矩在外磁场作用下的拉莫进动??如果在垂直于磁场Ｂ的方向上外加一个频率为拉莫进动频率的交变磁场，??就会驱动原子在不同塞曼能级间的跃迁，这种现象就称为磁共振现象。这个现象??可以用经典的阻尼振子的受迫振动模型来解释，当射频场的频率等于振子的固有??频率时，振子对射频场的响应最强，此时对应的就是能级跃迁的共振现象。??１．?１．?３光栗浦与原子极化过程??在热平衡状态下，处于外磁场环境下的原子各塞曼子能级粒子数服从玻尔兹??曼分布??（１．２）??Ｎ２?ｋＢＴ?Ｋ?｝??式中，ｍＦ为磁量子数，为朗德因子，为玻尔磁子，／＾为玻尔兹曼常数，ｒ为??开氏温度。在常温、弱磁场下，上式中的Ａ￡ｙ（ｆｃＢｒ）很小，。可以看到此??时各塞曼子能级上的粒子数分布差异非常小，原子极化度很低，与原子极化对应??的信号很难被探测到。??为了增大原子的极化度，上世纪５０年代法国物理学家Ａｌｆｒｅｄ?Ｋａｓｔｌｅｒ和Ｊｅａｎ??４??
?第１章绪论???速退激发。由于有淬灭气体的存在，激发态原子返回基态各塞曼子能级的概率相??等，均变为１／２。此时有：??ｊｔｐ．?＝?－Ｒｐ．＋ｊＲｐ．?ｊｔｐ＋＝＼Ｒｐ．?（１．５）??可得ｐ＿（ｔ）?＝?ｅ＿Ｒｔ／２／２，电子极化度Ｐ?＝?ｌ－ｆＲｔ／２。对于义个原子，全部抽运到??ｍ?＝?＋１／２态上需要的光子数为：??＝?［?ＲＮａｐｄｔ?＝?Ｎａ?（１．６）??对于碱金属原子的Ｄ２跃迁，能级图如图１．４所示。当有淬灭气体存在且考??虑到ＣＧ系数的影响时，有：??＾Ｐ－?＝?￣Ｒｐ￣?＋－（Ｒｐ￣?＋?３／？ｐ＋）?（１．７）??石?ｐ＋＝－３／？ｐ＋＋?３／？ｐ＋）?（１．８）??解方程可得，??⑴＝卜?Ｐ?＝?－＾ｌ－ｅ￣２Ｒｔ）?（１．９）??达到平衡时，产生的极化度Ｐ?＝－１／２。所以抽运一般采用Ｄ１跃迁，而不是Ｄ２??跃迁。??ｍ’＝－３／２?ｍ，＝?—?１／２?ｍ＾＋１／２?ｍ’＝＋３／２??退激发??退激发??Ｌ／??ｍ＝－ｌ／２?ｍ＝＋ｌ／２??图１．４碱金属原子Ｄ２线抽运过程??前面的讨论都没有考虑基态原子塞曼子能级间的弛豫现象。当存在自旋弛豫??时，电子自旋的极化度取决于光泵浦的速率和基态能级间的弛豫速率最??终达到一个平衡状态。此时电子的极化度??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Diffusion bonding of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy to TiAl alloy[J]. Peng Li,Shuai Wang,Yueqing Xia,Xiaohu Hao,Honggang Dong. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]键合参数对AgAuPdRu键合线键合性能影响研究[J]. 范俊玲,朱丽霞,曹军,姚亚昔. 贵金属. 2019(02)
[3]Close-Loop Bell-Bloom Magnetometer with Amplitude Modulation[J]. 黄海超,董海峰,郝慧杰,胡旭阳. Chinese Physics Letters. 2015 (09)
[4]2005-2010年中国地磁测量与地磁场模型的应用[J]. 徐如刚,顾左文,黎哲君,谈昕,张毅,王雷,袁洁浩,翟洪涛,辛长江,苏树鹏. 地球物理学进展. 2014(05)
[5]地磁测量卫星[J]. 冯彦,安振昌,孙涵,毛飞. 地球物理学进展. 2010(06)
[6]超导量子干涉器(SQUID)原理及应用[J]. 倪小静,杨超云. 物理与工程. 2007(06)
[7]MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究[J]. 张东梅,丁桂甫,汪红,姜政,姚锦元. 传感器与微系统. 2006(01)
博士论文
[1]芯片级铯原子钟关键技术研究[D]. 张忠山.苏州大学 2016
硕士论文
[1]原子钟碱金属蒸汽腔制作设备研制与工艺研究[D]. 刘鑫.华中科技大学 2008
本文编号：2899721
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?８ＳＲｂ原子能级结构图??原子在各塞曼子能级之间的磁偶极跃迁时需服从选择定则ＡｍＦ?＝?０，?±?１
?第１章绪论???Ｂ八??一一???ｃ?－－；＞??〇）Ｌ?＇＇?，??／??科／?、丨??＇、、、、一ｙ??图１．２原子磁矩在外磁场作用下的拉莫进动??如果在垂直于磁场Ｂ的方向上外加一个频率为拉莫进动频率的交变磁场，??就会驱动原子在不同塞曼能级间的跃迁，这种现象就称为磁共振现象。这个现象??可以用经典的阻尼振子的受迫振动模型来解释，当射频场的频率等于振子的固有??频率时，振子对射频场的响应最强，此时对应的就是能级跃迁的共振现象。??１．?１．?３光栗浦与原子极化过程??在热平衡状态下，处于外磁场环境下的原子各塞曼子能级粒子数服从玻尔兹??曼分布??（１．２）??Ｎ２?ｋＢＴ?Ｋ?｝??式中，ｍＦ为磁量子数，为朗德因子，为玻尔磁子，／＾为玻尔兹曼常数，ｒ为??开氏温度。在常温、弱磁场下，上式中的Ａ￡ｙ（ｆｃＢｒ）很小，。可以看到此??时各塞曼子能级上的粒子数分布差异非常小，原子极化度很低，与原子极化对应??的信号很难被探测到。??为了增大原子的极化度，上世纪５０年代法国物理学家Ａｌｆｒｅｄ?Ｋａｓｔｌｅｒ和Ｊｅａｎ??４??
?第１章绪论???速退激发。由于有淬灭气体的存在，激发态原子返回基态各塞曼子能级的概率相??等，均变为１／２。此时有：??ｊｔｐ．?＝?－Ｒｐ．＋ｊＲｐ．?ｊｔｐ＋＝＼Ｒｐ．?（１．５）??可得ｐ＿（ｔ）?＝?ｅ＿Ｒｔ／２／２，电子极化度Ｐ?＝?ｌ－ｆＲｔ／２。对于义个原子，全部抽运到??ｍ?＝?＋１／２态上需要的光子数为：??＝?［?ＲＮａｐｄｔ?＝?Ｎａ?（１．６）??对于碱金属原子的Ｄ２跃迁，能级图如图１．４所示。当有淬灭气体存在且考??虑到ＣＧ系数的影响时，有：??＾Ｐ－?＝?￣Ｒｐ￣?＋－（Ｒｐ￣?＋?３／？ｐ＋）?（１．７）??石?ｐ＋＝－３／？ｐ＋＋?３／？ｐ＋）?（１．８）??解方程可得，??⑴＝卜?Ｐ?＝?－＾ｌ－ｅ￣２Ｒｔ）?（１．９）??达到平衡时，产生的极化度Ｐ?＝－１／２。所以抽运一般采用Ｄ１跃迁，而不是Ｄ２??跃迁。??ｍ’＝－３／２?ｍ，＝?—?１／２?ｍ＾＋１／２?ｍ’＝＋３／２??退激发??退激发??Ｌ／??ｍ＝－ｌ／２?ｍ＝＋ｌ／２??图１．４碱金属原子Ｄ２线抽运过程??前面的讨论都没有考虑基态原子塞曼子能级间的弛豫现象。当存在自旋弛豫??时，电子自旋的极化度取决于光泵浦的速率和基态能级间的弛豫速率最??终达到一个平衡状态。此时电子的极化度??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Diffusion bonding of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy to TiAl alloy[J]. Peng Li,Shuai Wang,Yueqing Xia,Xiaohu Hao,Honggang Dong. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]键合参数对AgAuPdRu键合线键合性能影响研究[J]. 范俊玲,朱丽霞,曹军,姚亚昔. 贵金属. 2019(02)
[3]Close-Loop Bell-Bloom Magnetometer with Amplitude Modulation[J]. 黄海超,董海峰,郝慧杰,胡旭阳. Chinese Physics Letters. 2015 (09)
[4]2005-2010年中国地磁测量与地磁场模型的应用[J]. 徐如刚,顾左文,黎哲君,谈昕,张毅,王雷,袁洁浩,翟洪涛,辛长江,苏树鹏. 地球物理学进展. 2014(05)
[5]地磁测量卫星[J]. 冯彦,安振昌,孙涵,毛飞. 地球物理学进展. 2010(06)
[6]超导量子干涉器(SQUID)原理及应用[J]. 倪小静,杨超云. 物理与工程. 2007(06)
[7]MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究[J]. 张东梅,丁桂甫,汪红,姜政,姚锦元. 传感器与微系统. 2006(01)
博士论文
[1]芯片级铯原子钟关键技术研究[D]. 张忠山.苏州大学 2016
硕士论文
[1]原子钟碱金属蒸汽腔制作设备研制与工艺研究[D]. 刘鑫.华中科技大学 2008
本文编号：2899721
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