基于圆偏振探测光的光纤原子自旋进动检测技术

分析了极化碱金属气室的旋光特性,极化的原子气室宏观上可等效为一种法拉第旋光晶体,其旋光系数与原子自旋进动相关。提出了采用圆偏振探测光测量通过气室的左右旋圆偏振光相位差来实现原子自旋进动检测的思路。基于改进的全光纤反射型Sagnac干涉仪,搭建了光纤原子自旋进动检测系统,通过圆偏振探测光实现了无自旋交换弛豫态自旋进动信号的检测。在原子自旋陀螺仪实验平台上进行了实验验证并实现了陀螺效应,实验结果证明了所提理论的正确性。对陀螺性能进行了初步测试,得到其零偏不稳定性为0.29(°)/h。     

法拉第调制技术在微小旋转角检测中的应用

在外磁场中的碱金属原子蒸汽在光泵浦的作用下变成非线性介质,线偏振光经过这种介质时会变成椭圆偏振光,且椭偏光的主轴相对于入射偏振光的偏振面会产生一个微小的旋转。分析了碱金属原子能级结构和在光泵浦下产生的二向色性及其对探测偏振激光的偏振面旋转情况,并介绍了法拉第调制技术对这种旋转的测量方法,得到探测光强与旋转角的关系表达式,可以实现10^-7 rad量级的小角度检测。     

原子吸收光谱对碱金属原子蒸气密度与压强的测量方法

利用SERF原子自旋效应能够实现高灵敏度的磁场测量,碱金属原子密度与缓冲气体压强是敏感表头碱金属气室的重要参数,需要精确地测量。提出一种应用原子吸收光谱对碱金属蒸气的原子密度与压强测量方法,通过扫描碱金属原子的吸收光谱,进行Lorentz线型拟合,经解算同时得到原子密度和压强,一次实验获得两个物理量。由于多普勒展宽和压力展宽主要受到碱金属气室温度和缓冲气体压强的影响,从这两个方面进行了仿真分析。结果表明,充入2 amg缓冲气体时,313～513 K温度范围内的Lorentz线型与Voigt线型计算的光子吸收截面积峰值的理论误差始终小于0.015%;缓冲气体压强高于0.6 amg(393 K)时,其峰值误差小于0.1%,表明该条件下多普勒展宽对吸收光谱的影响可以忽略,可用Lorentz线型拟合原子的吸收谱线。最后分析了该方法能够获得的理论分辨率以及激光器的功率波动、波长波动和气室温度波动对测量精度的影响,得出同等条件下温度波动的影响比其他两个因素高1~2个数量级。     

铯原子激发态双色偏振光谱

基于铯原子阶梯型6S1/2-6P3/2-8S1/2 (852.3 nm+794.6 nm)能级系统,一束波长为852.3 nm的圆偏振光作为抽运光,将室温下气室中的铯原子由基态6S1/2激发到中间激发态6P3/2并极化,另一束波长为794.6 nm的线偏振光作为探测光,其频率在6P3/2—8S1/2态之间扫描,经过原子气室后差分探测便可获得铯原子激发态6P3/2—8S1/2能级跃迁之间的双色偏振光谱.实验上系统地测量、分析了抽运光频率失谐、偏振,以及抽运光与探测光同反向实验构型对双色偏振光谱的影响,并将其用于794.6 nm半导体激光器的稳频,锁频之后,225 s内的残余频率起伏约为0.5 MHz.     

线极化Bell-Bloom测磁系统中抽运光对磁场灵敏度的影响

利用适用于线极化Bell-Bloom测磁系统的布洛赫方程和含有自旋弛豫的速率方程,以铯原子为研究对象,分析了抽运光对磁场灵敏度的影响,并在实验上分别采用与铯原子D1线和D2线共振的线偏光作为抽运光和探测光,用充有缓冲气体的气室进行了实验.实验结果与理论分析一致,均表明只有在一定的光强范围内,增大抽运光光强可以提高磁场灵敏度.且利用这一方法分析了原子的自旋弛豫对磁场灵敏度的影响.这项研究对于深入认识线极化的Bell-Bloom测磁系统,以及如何通过优化系统实现磁场灵敏度的提高具有重要的意义.     

抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究

报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 p T/Hz~(1/2),磁场分辨率为0.1 p T.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 n T的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.     

磁共振系统中自旋极化过程的时间特性

本文从理论上和实验上分析了铷原子在静磁场和射频磁场作用下激光抽运磁共振系统中极化过程的时间特性。在我们的实验中,构建了简单的激光抽运实验平台,并通过记录探测光的透射强度监测铷原子的极化状态。射频场关闭时,铷原子通过吸收圆偏共振探测光实现极化,透射光强度达到最大。打开共振射频磁场,极化状态被破坏,即原子会退极化并重新吸收探测光,透射光强度减弱。实验结果表明,探测光功率会影响铷原子实现极化的过程。探测光功率越大,完成极化所需的时间越短。在70μW到200μW的探测光功率范围内,铷原子完成自旋极化的时间由33.93 ms缩短到23.37 ms。基于三能级系统的密度矩阵理论数值分析,有力地支持了所提供的实验数据。     

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响,因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移,且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽,因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系,提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱,得到光学深度曲线,并用洛伦兹函数对其拟合,测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移,再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移,联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时,最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明,该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况;激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响低于0.4%的数量级,而温度波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响高达30%的数量级。     

提高激光抽运铯原子磁力仪灵敏度的研究

本文报道了一种基于激光抽运射频共振的铯原子磁力仪. 通过圆偏振光将铯原子抽运到暗态, 实现偏极化. 外磁场存在时, 原子磁矩将以拉莫尔频率绕外磁场进动. 在共振射频磁场的作用下, 原子被去极化而重新吸收光子. 通过探测出射光光谱可以测得拉莫尔频率进而得到外磁场的信息. 本文通过运用自制的894 nm 外腔半导体激光器, 建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境, 实现了一种基于铯原子激光抽运射频共振的磁力仪. 通过磁力仪参数优化以及闭环测量, 磁力仪测量的外磁场达到了19 fT/Hz^1/2的极限灵敏度和1.8 pT/Hz^1/2的本征灵敏度, 空间分辨率小于2 cm. 关键词： 光抽运 塞曼效应 光探测磁共振 磁力仪     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

Two field nonlinear Faraday rotation in rubidium vapor in a Doppler-free geometry

Nonlinear Faraday rotation with counter-propagating light beams was investigated in a rubidium vapor cell. Observations across all hyperfine and crossover resonances of the D₂ line of ⁸⁷Rb atoms were made. Additionally, rotation spectra as a function of pump and probe intensity, pump polarization and external magnetic field strength were studied.The investigations were performed in a regime where the pump beam power was sufficiently low relative to the probe power to avoid polarization rotation due to pump-induced anisotropy. Our results are analyzed in the context of Bennett structures and coherent optical processes.     

电磁感应透明介质中非线性法拉第偏转

利用多重尺度法,解析地研究了V型五能级超冷原子电磁感应透明介质中弱的线偏振探测光的传播特性. 结果表明,仅考虑系统的线性效应,随着耦合光强度的增加,介质对探测光的吸收迅速减少,而探测光的传播速度逐渐增加,但比真空中的光速要低若干个数量级. 同时发现,在相同的外加磁场下探测光的非线性法拉第偏转方向与线性法拉第偏转相反,且偏转角更大. 这说明电磁感应透明介质中探测光的法拉第偏转主要是由系统的非线性效应调控. 关键词： 电磁感应透明 非线性法拉第偏转     

铷原子蒸汽中的光偏振旋转效应

对铷原子(⁸⁷Rb)蒸汽中的法拉第旋转、光学偏振自旋转以及二者的叠加旋转效应进行了理论和实验研究.对三种情况下旋转现象建立了简单而有效的理论模型. 实验中把铷原子泡置于自行设计的磁屏蔽腔内, 以屏蔽地磁场的影响.实验选择⁸⁷Rb F=2→F'=3能级D2跃迁线并采用零多普勒光谱 实验结构消除多普勒展宽对实验光谱的影响. 实验中分别观测到了三种旋转现象,实验结果与理论模拟结果非常符合.     

Improvement of the spin polarization lifetime in the 85Rb vapor cell by octadecyltrichlorosilane coating

Effective surface coatings allow for long spin polarization in alkali metal cells, suppressing the magnetic field gradient effect and providing an improvement in atomic magnetometer sensitivity. In this work, the effect of an octadecyltrichlorosilane (OTS) surface coating on the longitudinal and transverse spin polarization lifetime of an optically pumped ⁸⁵Rb vapor cell has been studied. Our results showed that the spin polarization lifetime significantly increased in the OTS lined cell compared to the unlined cell. The relaxation rate due to alkali metal atoms wall collisions and the magnetic field gradient has been decreased by using an OTS surface coating. A longer spin polarization lifetime in the lined cell causes a narrower magnetic resonance line width and subsequently a more sensitive atomic magnetometer.     

磁光玻璃磁致旋光效应的研究

介绍磁致旋光效应和磁光玻璃磁致旋光效应的机理。对ZF1、ZF6磁光玻璃的磁致旋光效应分别进行了实验研究，给出偏振面旋转角与磁感应强度的关系．计算出波长不变情况下不同磁感应强度的费尔德常数。对实验数据进行了处理．并与理论预期值进行了比较．发现理论值与实验结果符合得较好。     

Optical pumping of nuclear spin magnetization in GaAs/AlAs quantum wells of variable electron density

We report the use of time-resolved Faraday rotation to induce and probe the polarization of nuclear spins within a set of quantum wells with varying background electron density. The electron density was controlled over a broad range by making use of structures of mixed type-I/type-II GaAs/AlAs quantum wells that spatially separate photoexcited electron–hole pairs. We find that the optically detected nuclear magnetic field decreases quasi-monotonically with increasing electron density. The likely factors responsible for this behavior are increased electron spin-lattice relaxation, increased electron spin delocalization, and dilution of the electron spin polarization.     

Measurement of azimuthal magnetic fields in a Z-pinch gas discharge using the faraday rotation of a probe beam

The Faraday rotation of the plane of polarisation of a probe beam by azimuthal magnetic fields in the presence of beam deflection caused by refractive index gradients is discussed for a plasma carrying an axial current. A method for calculation of the magnetic field profile from experimental data is described. Bθ can be found by Abel inversion if the electron density is known and if deflected rays can be collected by an optical system and focussed onto a detector. Typical Faraday rotations calculated for the Bennett pinch assuming small beam deflection are found to be proportional to the plasma current and to the angle of deflection. If the probe beam wavelength is chosen to satisfy the approximate relation N₀λ² ≈ 3.5 × 10¹³ m^-1, where N₀ is the electron density on the axis, measurement of Bθ with beam deflections less than 2 × 10^-2 radians should be possible in cases where small rotations can be detected in the mid-to-far infra-red part of the spectrum.     

Eu同位素浓缩的实验研究

极化原子束有许多重要的应用，如用来研究原子散射过程、制备极化核、检验宇称守恒性、研究表面特性以及应用于同位素的浓缩过程。本文主要描述通过磁偏转极化原子束的方法对Eu元素进行同位素浓缩实验，结合Eu原子特有的能级结构，分析了原子束的极化原理，描述了原子束极化和同位素浓缩的实验装置。用具有特定频率和偏振的激光对^153Eu进行选择性光抽运，分别得到正、负极化原子束，正、负极化原子束，正、负极化后的原子束穿过六极偏转磁铁后分别被聚焦和发散，最后用热丝探测器控制，得到了清晰的Eu原子的浓缩信号，当各参数为最佳状态时，仅用一台激光器对^153Eu进行抽运极化，其浓缩效率可达4％。