全光学高灵敏度铷原子磁力仪的研究

报道了一种全光学的高灵敏度铷原子磁力仪.其原理是基于激光束与处于微弱磁场中的铷原子的相互作用.这种相互作用与铷原子所处的环境中的磁场有关,因而通过测量透过铷原子气体的激光强度的变化可以获得磁场信息.分析了该磁力仪的工作原理,建立了相应的实验装置,并对其性能进行了测试.结果表明实验结果与理论相符合.进一步研究了影响磁力仪灵敏度的一些因素,提出了优化各参数来提高磁力仪灵敏度的方法.     

极化检测型铷原子磁力仪的研究

针对交变弱磁场的检测,研制了一种基于极化-检测双光束结构的激光抽运铷原子磁力仪.为了获得该磁力仪对磁场的响应特性,通过数值仿真分析了信号幅度随极化磁场强度、弛豫时间的变化关系,并进行了实验验证.最后通过选择合适的极化磁场使磁力仪对待测磁场的灵敏度最大.实验结果表明,优化后磁力仪灵敏度为0.2pT/(Hz)~(1/2),响应带宽3.5kHz,可用于弱磁场磁共振、高频异常物理现象等信号的检测.     

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.     

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     

铷原子频标磁致频移相关问题研究

长期稳定度是评价铷原子频标性能的一项关键指标．物理系统内部静磁场（C场）稳定性引起的磁致频移与铷频标长期稳定度有关．利用⁸⁷Rb原子基态磁敏跃迁频率与轴向外加磁场的线性关系,测量了铷频标物理系统内部磁场强度,并计算了铷频标物理系统磁屏蔽筒轴向磁屏蔽因子约为3 828．实验结果表明磁屏蔽筒有效地降低了地磁场日波动对铷频标物理系统内部C场的影响,使磁致频移控制在合理范围内．     

用于全光铯原子磁力仪的激光器稳频技术研究

全光铯原子磁力仪是采用光学的方法实现微弱磁场检测,激光频率稳定性直接影响磁力仪的灵敏度。分析了二向色性原子蒸气激光频率锁定(Dichroic atomic vapor laser lock DAVLL)技术用于稳定激光器频率的原理,及其在全光原子磁力仪中的应用优势,发现通常的二能级原子模型不适用于分析铯原子D2线的稳频。实验测量了不同磁场下铯原子D2线基态Fg=4和Fg=3跃迁的DAVLL光谱,发现16mT是实现DAVLL稳频的最佳磁场;在此磁场附近,基态Fg=4跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=4→Fe=5跃迁会产生6MHz/mT的线性频移,基态Fg=3跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=3→Fe=4线会产生-9MHz/mT的线性频移。     

超极化Xenon对慢阻肺的可视化加权成像（英文）

超极化气体3He或者129Xe扩散加权成像已经被证明了能够有效检测慢性阻塞性肺部疾病(COPD)中肺部微结构的改变.相比于3He,129Xe更便宜而且更容易获得,但是129Xe成像中较低的信噪比致使129Xe的肺部表面扩散系数(ADC)的测量面临着许多困难.在该研究中,为了得到更高的图像信噪比,作者对气球模型,健康大鼠和COPD大鼠进行了单个b值(14 cm2/s)的扩散加权超极化129Xe磁共振成像(MRI).所有的COPD模型大鼠是通过烟熏和注射内毒素(LPS)进行诱导得到的.在7 T磁共振成像仪上面获得了大鼠肺实质的超极化129Xe ADC值分布图.COPD大鼠肺实质的129Xe ADC值是0.044 22±0.002 9和0.042 34±0.002 3 cm2/s(Δ=0.8/1.2 ms),远大于健康大鼠肺实质的129Xe ADC值0.037 7±0.002 3和0.036 7±0.001 3 cm2/s.而且COPD大鼠肺实质相关的129Xe ADC直方图也表现出了一定的展宽.这些结果说明了COPD大鼠肺泡空腔的增大能够通过129Xe在肺里面的ADC增长和相关直方图的拓宽反应出来,从而证明了单个b值的扩散加权MRI方法可以有效地对COPD大鼠进行检测.     

超极化气体氙-129的低场NMR测量

在自旋交换光泵过程中,多种参数可能会影响到最终可获得的超极化气体氙-129核自旋极化度.通过低场(0.002 T)核磁共振(NMR)系统研究了连续流动工作模式的自旋交换光泵过程,当混合工作气体流量为0.3 SLPM和0.5 SLPM时,实验测量得到最佳光泵泡工作温度;对于同位素富集和自然丰度的氙-129气体,核自旋极化度的建立时间分别为15 min和22 min.由于混合工作气体的压力以及组分会导致铷原子吸收线的频移和展宽,并且影响到其线型,实验通过低场NMR系统测量确定了用于自旋交换光泵的最佳激光工作波长.低场NMR测量为获得具有高核自旋极化度的超极化气体氙-129,并且能够用于人体肺部MRI研究提供了实验依据.     

抽运-检测型原子磁力仪对电流源噪声的测量

用于在宽量程范围内标定原子磁力仪的灵敏度的复现磁场通常由精密电流源和标准线圈产生,电流源噪声将直接影响原子磁力仪在宽量程范围内标定的灵敏度.本文基于抽运-检测型原子磁力仪首先提出抑制复现磁场漂移的磁补偿方法,其次开展宽量程范围内电流源的噪声和原子磁力仪的灵敏度之间依赖关系的研究.研究结果表明,抽运-检测型原子磁力仪的灵敏度主要由电流源噪声决定,因此可用特定磁场下的灵敏度估算电流源在对应输出电流条件下的电流噪声.本文研究对弱磁传感器灵敏度指标的标定、高精度电流源的研制、磁感应强度计量和电流计量的协同发展都具有参考价值.     

低场流动系统中超极化129Xe气体辐射阻尼的研究

辐射阻尼现象通常只有在高磁场中,利用高分辨率谱仪,才能观测到液态,像水质子这样具有大自旋浓度的信号.但是我们在低场流动系统中,利用光泵自旋交换的方法,获得高度极化的129Xe气体,从而使我们能观测到,流动系统下超极化129Xe的气态辐射阻尼信号.     

分布式反馈激光抽运铯磁力仪灵敏度相关参数研究

本文报道了分布式反馈(简称DFB)激光抽运铯磁力仪实验系统,研究并优化了激光光强、激光频率、射频强度、铯吸收泡温度、吸收泡缓冲气体压强等5类参数,测算得到不同情况下铯原子塞曼跃迁谱谱线宽度△f与信噪比S/N的比值,并利用公式δB=1γ/Cs△f/S/N(γCs为铯原子旋磁比)将其转化为磁力仪灵敏度,得到最优灵敏度为2.5 pT/Hz1/2.实验表明,本文所研究的5类参数都会不同程度提高磁力仪灵敏度,其中,激光频率、射频强度、铯吸收泡温度更是将灵敏度提高了10倍以上,这为更高性能、实用化半导体激光抽运铯磁力仪的研制提供了重要参考.     

新型葫芦[6]脲纳米颗粒超极化129Xe"分子笼"研究

在相同浓度下,超极化¹²⁹Xe的核磁共振（NMR）灵敏度是传统质子NMR的10 000倍以上,但单原子Xe不具有靶向性,只有单一NMR信号.若超极化¹²⁹Xe与“分子笼”相结合,就能获得新的“笼”内Xe信号,为发展超极化¹²⁹Xe分子探针奠定基础.因此,构建新型的“分子笼”是发展新型超极化¹²⁹Xe分子探针的一个重要方向.葫芦[6]脲纳米颗粒的出现能改善以葫芦[6]脲为主体的¹²⁹Xe分子探针水溶性差、信号弱等缺点.本文构建了水溶性的葫芦[6]脲纳米颗粒,并发现其具有葫芦[6]脲/纳米颗粒内部两个“笼”内¹²⁹Xe信号.这一发现使这种纳米颗粒具有成为超极化¹²⁹Xe分子探针的潜力,能降低检测结果中假阳性和假阴性的发生率,值得更深入的探索和研究.     

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。     

一种基于非标准矩形微波腔的铷频标腔泡系统

针对超薄型铷频标应用需求,本文研制了一种基于开槽管腔原理的非标准矩形微波腔.它的厚度仅为12 mm,仿真结果显示其微波场方向因子约为0.9.测量了基于该微波腔设计的腔泡系统的⁸⁷Rb原子双共振跃迁信号,并通过外推法得到铷原子吸收泡内双共振谱线的本征线宽约为452 Hz.在优化后的实验参数下,该腔泡系统散弹噪声对铷频标短期频率稳定度的限制可达到5.2×10^-13τ^-1/2.     

流动系统中的激光增强固体和液体129Xe核磁共振信号

在流动系统中,用半导体阵列激光器在低磁场下抽运Cs原子,由自旋交换碰撞产生极化的129Xe气体,在SY80M核磁共振谱仪中,冻成固体和液体后的极化度分别为216%和145%,和相同条件下未光泵的129Xe极化度相比,分别增强6000和5000倍.为将激光增强固体和液体129Xe用于量子计算提供了基础和可能.并对输运和相变过程中极化损失作了讨论 关键词： 光泵 激光极化 核磁共振信号 光和原子相互作用     

低场流动系统中激光增强液体129Xe的辐射阻尼信号

通常只有当样品的自旋浓度很大(如水中的质子), 强磁场和使用高分辨率谱仪的条件下, 辐射阻尼现象才能被观测到. 但是我们利用激光增强原子极化的方法, 使液态129Xe极化度提高到1.45%, 相同条件下比未激光极化的极化度增强5 000倍, 因此我们能在低磁场流动系统中观测到液态129Xe的辐射阻尼.     

利用铷原子双光子跃迁产生420nm蓝光的实验研究

本实验通过饱和吸收方法获得了铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)单光子跃迁光谱,并进一步研究了铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)→5 D_(5/2)的双光子跃迁光谱。使用780nm的控制光和776nm的信号光反向共线作用到铷泡中,通过探测6 P_(3/2)→5S_(1/2)自发辐射产生的420nm蓝光信号得到铷原子5S_(1/2)→5 P_(3/2)→5 D_(5/2)双光子跃迁光谱,利用法布里-珀罗干涉仪测量了~(87)Rb和~(85)Rb的5 D_(5/2)激发态超精细能级,详细研究了铷泡温度和776nm信号光功率对~(87)Rb 5S_(1/2)(F=2)→5 D_(5/2)双光子跃迁光谱的影响。该研究工作为基于原子分子精密光谱测量提供了实验基础。     

一种用于高精度小型化铷频标的开槽管微波腔

针对小型化高精度铷原子频标应用需求,设计了体积为11 m L的小型化开槽管微波腔.实验测量了微波腔内微波场的方向因子,结果为0.83.利用该微波腔设计了小型化铷频标物理系统,形成了铷频标桌面系统.测试了系统的短期频率频率稳定度,结果优于2×10~(-12)/τ~(1/2),远高于一般商用小型化铷原子频标.     

85Rb热原子系综中Raman相干存储的实验研究

报道了我们在85Rb热原子系统中利用远离共振的Raman动力学过程实现相干光信号存储与释放的实验研究.铷原子室采用μ-metal包裹消除环境磁场的影响,在双光子共振和单光子远失谐的条件下,我们测量了存储效率随存储时间及单光子失谐量的变化关系,得到的最高存储效率为23.5％,寿命约为3.4μs.     

调制磁场交流霍尔电压测量技术

霍尔效应测量伴随着多种副效应,直流换向法在变温测量中存在难以克服的技术缺点.采用调制磁场与交流样品电流测量技术,并选择后者频率为前者的整数倍.当数据采样历遍调制磁场完整周期时,实验结果等效于磁场和样品电流换向测量.利用数字锁相放大器对被测信号谐波分量离散傅里叶分析原理,实现调制磁场交流霍尔电压实时测量.实验说明调制磁场交流霍尔测量技术方案的合理性,进而由变温霍尔测量结果表明该方法的科学性.