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.     

磁旋转腔增强光谱技术

为了提高吸收光谱的探测灵敏度,在弱吸收或短光程吸收的情况下实现高灵敏探测,将腔增强光谱技术与磁旋转光谱技术有效地结合起来,发展了高灵敏的磁旋转腔增强吸收光谱技术,并通过测量O2 的三重禁戒跃迁谱线验证了该技术的探测灵敏度。实验采用环型增强腔,以避免光束的返回对激光器的干扰。给出了腔的耦合匹配条件,以及镜面反射率、腔损耗对增强因子的影响;同时也给出了在实验中对光谱信号的处理方法。测量结果表明,在谐振腔精细度为F=48,腔内总损耗为13%,以及腔镜的耦合效率为 95%的情况下,对 O2 分子最小相对吸收度约为4.5×10-8(1 s积分时间)。     

小型化原子磁场测量关键技术研究

高灵敏度磁场测量技术在空间探测、军事反潜、生物磁场测量和地质探测等方面发挥着重要作用。为了提高磁力仪灵敏度同时减小磁力仪体积,本文设计了一种全光结构的原子磁场测量方案。首先基于探测光偏振调制技术,设计了原子磁力仪的总体方案。在此基础上,重点研究了小型化磁传感Rb原子气室、无磁电加热、激光器稳频和偏振调制等关键技术。目前已完成实验室测磁原理的验证。     

铯原子双磁光阱中冷原子的输运：从推载到导引

在超高真空环境下实现中性原子的激光冷却与俘获，可以有效地避免背景气体对冷原子的碰撞所造成的影响，已成为玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子光学腔量子电动力学、中性原子玻色-费米混合气体等实验研究的出发点。结合气室磁光阱和超高真空磁光阱的所谓双磁光阱，以其真空系统相对简单、参数易于控制、效率高等优点，得到了很大发展。双磁光阱既能在气室磁光阱部分从处于室温的原子背景中快速冷却和俘获原子，然后将其通过一定途径输运到超高真空磁光阱中，又能达到在压力极低的超高真空环境下制备冷原子的目的。     

基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析

利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。碱金属气室为该类器件的敏感表头。碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数,对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。首先对碱金属气室加恒定磁场,利用激光作为检测光,根据光偏振旋转原理,检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角,得到碱金属气室原子密度。然后将碱金属原子抽运,利用激光作为检测光,检测通过气室的偏振光的偏转角,得到碱金属原子极化率。该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度,实现利用一套系统测量两个重要参数,具有快速测量和高灵敏度等特点,简化了实验设备及过程。对两种偏转角进行仿真分析,得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响,根据仿真图得到检测激光波长的可取范围,验证了该方法的可行性。最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响,提出实验对激光器与磁场的要求。     

无磁加热薄膜仿真设计与实验验证

介绍了一种用于原子气室的无磁加热薄膜技术。原子磁力仪、原子陀螺仪、原子钟等采用热原子系综的精密测量仪器通常采用原子气室作为物理系统,为了保证足够的原子数密度,原子气室工作温度通常为80~120℃,因此无磁加热技术是热原子钟的核心技术之一。采用多物理场有限元仿真分析通电线圈在小电流(直流0.2A)条件下产生的稳态磁场分布情况,通过对比不同线圈结构产生的磁场分布,得到满足性能要求的通电线圈结构。实验结果表明,采用优化后结构的无磁加热薄膜产生的剩磁低于100nT,满足原子气室无磁加热要求。该设计对以原子气室的原子钟性能提升提供了可靠保证,并为原子钟小型化提供参考。     

用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

 根据光腔衰荡光谱技术原理，建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜，反射率测试结果为（99.925±0.001）%;以22.5°将直腔变为折叠腔，测得的反射率为（99.992±0.003）％。重复测定反射镜样品的反射率，精度达到10^－5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置，对腔镜的测试结果影响不大。     

光腔衰荡法数据截取对时间常数测量精度的影响分析

光腔衰荡方法是目前测量光学元件超高反射率(反射率>99.9%)的唯一方法。介绍了一种对光腔衰荡法中激光信号强度与时间关系的优化提取方法。设计了基于光腔衰荡法的光学元件超高反射比的测试系统,通过对采集的光腔衰荡曲线数据进行分段指数拟合,将光腔衰荡曲线数据分为5段,对每段指数拟合结果对应的R² (R-square)和RMSE(root mean squared error)值进行对比分析,计算每段指数拟合的衰荡时间。实验结果表明:截取光腔衰荡曲线数据40%～60%部分拟合得到的结果最接近真实值,求得对应的腔镜的反射率为99.988 977%。最后通过与腔镜的自身反射率进行比较,表明该种数据拟合方法能有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

掺镱双包层光纤激光器典型参数对斜线效率的影响

 分析了双包层光纤激光器(DCFL)耦合方程的解析解，并对信号光散射损耗、后腔镜泵浦反射率等影响掺镱DCFL斜线效率的典型参数进行了理论研究。结果表明，斜线效率并不是随着后腔镜泵浦反射率的升高而单调增大，因为泵浦反射率的升高会影响光纤的最佳长度，从而降低斜线效率。所以在优化斜线效率时应该考虑到泵浦反射率和光纤最佳长度之间的匹配。同时，提高纤芯掺杂浓度、减小信号光散射损耗也能增大斜线效率。     

衰荡腔测量中的腔参数选择

 基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系，提出了一种衰荡腔，它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法，以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法，建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟，研究了这种稳定衰荡腔中，腔微小失调对反射率测量结果的影响，并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明，这种稳定腔用作衰荡腔，测量结果受腔镜角度失调影响较大，而受腔长失调影响小；其长度较短，便于工程应用；衍射损耗较小，测量精度高。     

外腔共振和频系统中阻抗匹配的理论研究

外腔共振是提高和频效率的有效方法. 实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中, 因此系统要达到阻抗匹配. 本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型, 分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系, 通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率, 使系统达到阻抗匹配, 提高和频效率. 研究表明, 无论双波长还是单波长外腔共振和频系统, 共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小, 而其本身的入射功率变化则影响较小; 进一步分析表明, 若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值, 和频光功率将会迅速减小, 而小于阻抗匹配值时, 和频光功率减少速度相对较慢, 因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现. 本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.     

光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术测量腔镜高反射率的对比研究(英文)

基于半导体激光器的光反馈效应,提出了光反馈光腔衰荡技术用于测量腔镜的高反射率。相对于没有光反馈的情况,光腔衰荡信号振幅提高了两个数量级,从而大大提高了高反射率测量精度。在四个衰荡腔长采用光反馈光腔衰荡技术测量得到的腔镜反射率非常一致,统计平均值为99.9356±0.0008%。通过实验比较了光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术。结果表明,光反馈光腔衰荡技术的测量精度比脉冲光腔衰荡技术高。     

激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究

环境磁场的干扰是影响激光陀螺精度的重要因素之一. 为了减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性, 推导了环形腔的琼斯矩阵, 其中考虑了非共面角、增益介质、腔损耗、腔镜反射各向异性和应力双折射, 采用矩阵本征问题求解的摄动理论分析了环形腔的偏振态和磁敏感特性. 研究表明, 为了减小激光陀螺的磁敏感性, 应减小非共面角和腔损耗, 增大腔镜的反射各向异性. 腔镜应力双折射究竟会增大还是减小磁敏感性与应力作用主轴、受应力腔镜的位置有关, 此外它还会引起顺时针和逆时针模式之间的偏振非互易性. 磁敏感性与腔失谐近似成线性关系, 导致激光陀螺工作于增益峰值时磁敏感性并非最小. 这些结果对减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性具有较好的指导意义. 关键词： 激光陀螺 磁敏感性 椭圆度 琼斯矩阵     

斜向静磁场中光导波模式转换与衍射理论

应用经典场论和耦合模理论计算了斜向静磁场作用下，磁性薄膜波导中静磁波与导波光的相互作用.计算结果表明，与垂直静磁场情形相比，斜向静磁场时的相匹配条件有所变化，由于磁性薄膜波导中法拉第磁光效应增强等因素，导波光的Bragg衍射效率得以显著增加.这有利于应用YIG等低损耗磁性薄膜做成高衍射效率的磁光波导器件，亦有利于降低Bi∶YIG等高比法拉第旋转的磁光薄膜波导器件的体积和损耗.此外，理论指出的在斜向静磁场条件下所具有的一些磁光特性与实验结果亦符合得很好. 关键词：     

双光束抽运对全光Cs原子磁力仪灵敏度的影响

原子磁力仪的灵敏度直接取决于抽运光对原子的极化率。分析了Cs原子气室中充入13 332.2 Pa He缓冲气体,两束抽运光频率分别锁定在Cs原子D1线F=4F=3和F=3F=4共振跃迁线时,基态和激发态各磁子能级上粒子数变化的动力学过程,发现在抽运光的持续作用下Cs原子基态F=3和F=4各磁子能级上的粒子被完全抽运至|F=4,mF=4态,Cs原子极化率达到最大值。同时,实验结果证明双光束抽运有效提高了磁力仪响应特性曲线的信噪比,从而使原子磁力仪的灵敏度提高了34%。     

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.     

光源线宽对内置式光纤法布里-珀罗磁场传感器灵敏度影响的分析

分析了内置式光纤法布里－珀罗磁场传感器的灵敏度及光源线宽对灵敏度的影响。结果表明,光源线宽愈窄,灵敏度愈高;法布里－珀罗腔的反射率在红宽和腔长一定时,有一最佳值。反射率取最佳值时,探测的磁场最小,灵敏度最高。     

光腔衰荡法测量高反射率的实验研究

基于光腔衰荡光谱技术，建立了以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置，该装置可用于精密测量全固体激光器高反射率腔镜的反射率，检测得到了高反腔镜在946nm的反射率。实验测得平凹镜和平面镜衰荡时间的平均值分别为1．624μs和821ns，平凹镜的反射率为99．794％，相对误差精确到10^-5；平面反射镜的反射率为99．800％，相对误差精确到10^-4。结果表明，光腔衰荡法可用于高反射率腔镜反射率的测量，与分光光度计测得的结果相比，具有非常高的测量精度。     

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.