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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

铷原子气体自旋噪声谱测量的信噪比分析

自旋噪声谱是一种非扰动的自旋动力学研究方法,通过探测系统在非激发条件下的自旋涨落,可以揭示系统在热平衡状态下的性质.因为系统在稳态下的自旋涨落十分微弱,所以提高信噪比在自旋噪声谱的测量中特别重要.本文采用频谱仪、数据采集卡和实时傅里叶变换采集卡三种方法来测量铷原子气体的自旋噪声谱,并将实验结果进行对比,分析了叠加次数、测量效率和采样深度等因素对谱线信噪比的影响.实验发现,谱线叠加次数对自旋噪声谱的信噪比影响最为显著,测量效率则能反映不同方法在相同的测量时间内得到的谱线质量,并比较了三种方法的测量效率,采样深度的提高并不能明显改善自旋噪声谱的信噪比.相比于传统的频谱仪和数据采集卡,实时傅里叶变换采集卡的数据利用率和测量效率更高,从而具有更好的信噪比,非常有利于自旋噪声谱在自旋动力学研究中的应用.     

铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进

利用自主设计并制作的基于现场可编程门阵列的实时傅里叶变换采集卡(FFTsDAC),采用线偏振光检测碱金属铷原子气样品中的自旋随机涨落(即自旋噪声谱).详细讨论了背景噪声以及自旋噪声随探测光光强的变化关系,证实了自旋噪声来自于系统中自旋的随机涨落.对比了两种FFTsDAC(8 bit采样的FFTsDACl和12 bit采样的FFTsDAC2)的测量性能,分析了影响实验信噪比的因素.FFTsDAC2具有更高的测量效率和采样深度以及更长的单次采样时间,因而具有更高的信噪比和更好的频率分辨率,与数值模拟的结果一致.     

铷激射器中铷原子的弛豫率和光抽运率的测量与分析

同时利用脉冲和连续波运转两种方法。测量了铷激射器中铷原子由碰撞导致的在基态子能级间的弛豫率和光抽运率,得到了相互一致的效果。考察了较密原子蒸汽时总弛豫率和先抽运率与原子密度的关系,给出由了振动阈附近的激射器频率推算原子密度的新方法。     

铷离子-铷原子混合阱飞行时间谱的拟合和仿真模拟

离子-原子混合阱是研究带电粒子-中性粒子低温反应的理想平台,直接甄别反应产物最准确的方法是带电粒子飞行时间谱,飞行时间谱峰的强度、位置(飞行时间)和宽度给出了相应带电粒子的强度和动能(温度)等信息.本文通过分析和模拟铷离子-原子混合阱中的飞行时间谱,获得了不同荷质比的离子绝对强度和温度等信息.具体说,首先使用Gumbel型极值分布函数飞行时间谱的谱峰,获得谱峰强度、位置和宽度等信息.然后对实验建模得到耦合的原子数和总带点离子的速率方程,用这些速率方程拟合实验数据,并结合实验测量到的绝对原子数,获得绝对的离子数强度.由此提供了一种标定探测器(本文使用的是微通道板)的方法.改变电离激光的波长和强度得到的标定因子是一致的,表明了这种方法的可靠性.此外,利用COMSOL Multiphysics模拟实验的飞行时间谱,仿真模拟结果表明离子动能大,谱峰宽度窄.本文对飞行时间谱的强度和宽度分析为冷原子光电离过程的离子-原子反应碰撞和带电粒子温度弛豫奠定了基础.     

山西大学成功实现铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚

山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室张靖教授研究小组于7月7日成功实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC).实验结果显示,冷原子云在温度降低到约为500nK时开始发生相变,经过进一步蒸发冷却,最终得到了约为6×104个原子的纯净BEC.目前该小组正将铷原子和费米原子钾40同时装入磁阱中,蒸发冷却铷原子来协同冷却钾原子,最终同时实现玻色气体玻色-爱因斯坦凝聚和费米气体量子简并.     

用于冷原子的高精度磁场锁定系统

磁场调控的Feshbach共振是调控原子间相互作用最常用的基本工具,减小磁场起伏,对于提高超冷原子散射共振的稳定性有着重要意义.本文通过一套分流磁场锁定系统,实现了百高斯磁场下相对不确定度为10^-6量级的磁场锁定,相较于未经锁定时,低频电流噪声得到45 dB以上的抑制.利用本文的锁定方法,~6Li原子团Rabi振荡相干时间提高了9.6倍,有效延长了超冷原子系统的相干时间.同时根据原子的Raman损耗谱标定了磁场均方根噪声,通过选择无相互作用的528 Gs (1 Gs=10^-4 T)处进行检测,磁场均方根噪声抑制到1.2 mGs,相较于未经锁定时,磁场均方根噪声降低16倍,磁场锁定相对不确定度为2.27×10^-6.这样的磁场锁定系统,可以为超冷原子气体提供精确稳定的背景磁场,对延长量子存储寿命、精确调控原子散射、开展凝聚态物理模拟等超冷量子气体实验有重要意义.     

基于点阵标定板的视觉测量系统的标定方法

在应用机器视觉技术进行测量时,测量系统的像素当量、系统误差和光源强度等因素均会对测量精度造成影响,因此必须对像素当量和系统误差进行标定,并分析光源强度对工件图像边缘位置的影响。提出一种基于点阵标定板的视觉测量系统综合标定方法,在提取标定圆圆心坐标的基础上,计算圆心距物理尺寸和像素尺寸的比值,得到像素当量;建立圆心实际坐标和理论坐标的二元三次误差模型,并利用最小二乘法拟合求解误差模型系数;通过确定光源强度引起的图像边缘位置误差补偿量,实现测量系统的综合标定。实验结果表明,该方法可以有效提高系统的测量精度。     

积分球内的铷原子激光冷却

研究了积分球内激光冷却原理,设计积分球时对积分球的反射率、尺寸及球上开孔大小对于激光冷却的影响进行了讨论. 进行了积分球冷却⁸⁷Rb实验,实验结果表明积分球有效的冷却了球腔中的铷原子,获得了积分球内冷原子的吸收信号以及冷原子随冷却光失谐的变化曲线. 关键词： 漫反射光场 积分球 全光冷却     

高精度多探头磁场测量系统

兰州重离子研究装置的磁场测量系统已于1983年10月建立. 多探头长臂上装有94个霍尔片. 测磁支架采用长臂、动环和定环组成的以加速器几何中心为原点的极坐系结构. 由小型计算机承担自动控制和数据的获取与处理工作. 对16KG磁场, 本系统的测量重复性好于±5×10^－5, 测量精确度估计为±1×10^－4. 测量速度约为每分钟188个数据.     

太赫兹辅助测量铷原子超快量子相干过程的理论研究

太赫兹辅助光电离瞬态测量方法可以分辨超快量子拍频,同时对复杂量子系统的超快密度矩阵演化进行成像.本文依据这种方法提出了一种具体的实验方案,利用紫外脉冲(脉宽为30 fs)和高强度太赫兹脉冲(峰值场强:约1 MV/cm)组成复合探测电场,探测铷原子5S1/2和5P3/2叠加态振荡周期约为2.6 fs的量子拍频过程,量子体系密度矩阵演化的布居项和相干项投影在光电子动量谱的不同位置,可以对密度矩阵演化实现完全信息测量.本文设计的实验方案不需要阿秒高次谐波或自由电子激光等复杂的先进光源,可以成为探索复杂量子体系超快相干动力学过程的新方案.     

立体视觉测量系统标定误差补偿

双目视觉测量系统利用三角测量法原理进行三维测量,其结构特性决定了测量误差随测量距离的增加而增大。针对测量误差的分布规律,该文提出基于局部视场的双目视觉测量系统优化方法。利用外在结构建立测量坐标系,减小标定和测量过程信息非一致性引入的系统误差;利用相机参数之间的耦合作用补偿系统固有参数标定误差并建立查找表,建立关于标定参数的虚拟映射。模拟实验最大误差小于0.03 mm,系统实验误差小于0.3%,实验表明优化后系统主要测量误差来源于探测器离散化引入的随机误差,双目视觉测量系统达到理论测量精度。     

低温流量测量与标定系统的研制

为了满足低温流量计的标定校准需求,研制了一套低温流量测量与标定系统;按照要求进行了系统的整体流程及工作模式设计,同时对其中的过冷换热器及液氮泵进行了设计计算及选型;考虑到后期系统的功能扩展,用来进行多种泵的流量特性测试,选取了潜液泵作为动力源及配备了单独的外置泵池;系统采用了标准表法与称重法,配合两套过冷箱,最终实现了液氮流量9.2~102 L/min范围内对低温流量计进行瞬时及累计流量的标定校准,校准误差为1.84‰,满足系统的设计要求。     

铷原子横向弛豫时间的测量方法比较研究

为测量短暂的碱金属原子横向弛豫时间,分析了改进了的自由感应衰减法、磁共振展宽拟合法以及旋转坐标系下的横向磁矩分量比值拟合法三种测量方法。并设计了实验装置,用这三种方法对10μs量级的铷原子横向弛豫时间进行了测量。测量结果表明,这三种方法的精度皆可达1μs量级。通过对这三种方法的测量环境分析,改进了的自由感应衰减法和比值拟合法的测量值可以直接作为一般的原子磁力仪的参数使用,展宽拟合法可以用于研究无光条件下的碱金属原子弛豫机制。     

光栅投影轮廓测量的系统标定技术

针对在光栅投影轮廓测量术中系统标定可操作性不强、精度不高的问题进行了全面的分析 ,在此基础上提出一种新的系统结构 ,并推导了物相关系。由于去掉了传统结构的平行和垂直两个约束条件 ,测量系统中摄像机和投影装置可以采取任意相对位置 ,操作十分灵活。对新系统提出了方便实用的标定方法 ,在其中引入了摄像机定标技术。应用该测量系统和标定技术进行实例检测 ,测量结果证明 :与传统方法相比 ,可操作性和检测精度得到了提高     

调制度测量轮廓术的系统标定

调制度测量轮廓术是一种采用垂直测量方式的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化区域的复杂物体。提出了一种基于调制度测量轮廓术测量系统的标定方法,其纵向标定是利用几个相互平行的标定平面建立与CCD像面各像素点对应的测量高度与实际高度之间的映射关系,并利用映射关系确定每一像素点对应的映射关系系数,然后建立映射关系系数查找表,存人测量系统中,完成纵向标定。首先分析了测量系统的误差来源,然后给出了标定方法和标定过程,最后给出了实测结果。结果表明,利用提出的系统标定方法可以有效消除调制度测量轮廓术测量系统误差,显著地提高了系统测量精度。