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.     

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     

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.     

抽运光分布对二极管抽运激光器振荡光光束质量的影响

研究了二极管抽运激光器（DPL）中抽运光的空间分布对振荡光光束质量的影响.通过对端面 抽运情形下光场运动方程的研究，发现不均匀的空间增益分布会影响激光振荡的模式，并且 使得基模振荡光偏离高斯分布.引入一个称之为抽运光影响因子参数，来判断这种影响的程 度.研究表明，这个参数计算方便而且实用.在对基模调Q脉冲激光的研究中发现，由于抽运 光的影响，脉冲前沿的场分布将由远离高斯分布向接近高斯分布变化，称之为脉冲前沿的场 倏变现象. 关键词： 激光二极管 二极管抽运激光器 光束质量     

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.     

抽运光对激光束空间分布影响程度的估算方法研究

为便于评价两种光场空间分布之间的偏离程度，引入一个数学参数δ进行研究。将该参数应用到谐振腔内分析了抽运光空间分布对基模振荡光光束质量的影响。这种影响主要表现为：若抽运光在激光介质中引起非均匀的增益分布，基模振荡光将偏离高斯分布。利用δ参数对这种影响的程度进行了定量估算。定量研究表明：δ参数可以直观地反映泵浦光分布对激光器光束质量的影响程度，而且在激光器的设计中δ参数的大小可衡量泵浦光分布的优劣。对于端面泵浦二极管泵浦固体激光器（DPL），稳恒运转下最理想的抽运光分布形式是高斯型抽运光，其半径等于谐振腔的基模高斯振荡光半径。     

双抽运光作用电磁感应透明的实验研究

主要研究抽运光的强度对V型铯原子三能级系统电磁感应透明的影响，同时研究了双抽运光作用对电磁感应透明的影响，并利用光与原子作用的密度矩阵加以解释.实验结果与理论计算相符. 关键词： 电磁感应透明 双抽运 铯原子     

可控双空心光束的理论方案及实验研究

提出了一种利用双周期弧向非满额相位调制的方法产生双空心光束的方案. 当准直氦氖激光通过1.5 mm半径透光孔照射到该相位图样时, 在200 mm成像透镜像空间获得长30 mm, 间距57.6μm, 单管束宽度0.11–0.14 mm的双空心光束. 该方案结构简单, 产生的双空心光束具有较好的可控性, 双光管间距由相位调制因子p决定, 能够实现从双空心光束到单空心光束的双向演化. 对所提出的方案进行了实验研究并得到与理论相符的结果. 利用多种组合方式讨论了将该方案拓展到蓝失谐光学囚禁势阱, 可以实现可控的空心双光阱、四光阱与光学晶格等, 有望在冷原子、冷分子囚禁与操控等领域的实验研究中发挥重要作用.     

温度对Ce：Fe：LiNbO3晶体双光束耦合效率的影响

实验研究了温度对Ce:Fe:LiNbO_3晶体双光束耦合的响应时间以及对信号放大倍数的影响,并用带导模型和耦合波方程对其作了理论分析.半定量地解释实验结果.     

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。     

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.     

共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究

共振线偏振光激发原子张量磁矩,本文理论研究在矢量磁场和射频场的共同作用下,张量磁矩进动的模型,求解刘维尔方程获得透射光时域完整解析解,包括直流、一次和二次谐波分量.研究发现:当进动的拉比频率Ω1/(22~(1/2))时,两谐波间的干涉效应使直流分量和一次谐波对称成分的单吸收峰劈裂成双峰,裂距((Ω~2+Ω~4-Ω~2-1)~(3/2))~(1/2),一次谐波反对称成分在共振处产生干涉条纹.研究结果显示,谐波间的干涉也可导致直流分量和二次谐波线宽仅为一次谐波线宽的38%,且存在磁场取向临界点,在不同的取向区间分别利用直流及两谐波共振信号辨析磁场变化,可获得最佳测磁灵敏度;同时还可通过共振时直流分量及两谐波对称成分振幅来确定磁场与激光极化方向的夹角,利用两谐波反对称成分相移的差值来确定待测磁场在垂直光极化方向投影与射频场方向的夹角,进而实现结构简单的张量磁矩进动型矢量磁力仪.这种磁力仪适合构成磁力仪阵列,可用于磁定位、水下磁异常源的检测和地磁导航等领域.     

Transverse relaxation determination based on light polarization modulation for spin-exchange relaxation free atomic magnetometer

A transverse relaxation determination of spin-exchange relaxation free(SERF) magnetometer based on polarization modulation technique is proposed. Compared with the radio-frequency(RF) excitation and light intensity excitation methods used in SERF magnetometer, the light polarization modulation method has a high stability in low-frequency range,which indicates a more accurate transverse relaxation measurement.     

Mode-locked laser-type optical atomic clock with an optically pumped Cs gas cell

We propose and demonstrate a mode-locked laser-type optical atomic clock with an optically pumped cesium (Cs) gas cell. By adopting the optically pumped Cs gas cell with a double resonance method as a frequency standard, we have successfully demonstrated an ultrastable rack-mount type Cs optical atomic clock with excellent short-term stability. The obtained frequency stabilities reached as high as 1.2 x 10(-12) for tau=1 s and 8.8 x 10(-14) for tau=100 s for a 9.1926 GHz microwave output signal.     

High contrast atomic magnetometer based on coherent population trapping

We present an experimental and theoretical investigation of the coherent population trapping （CPT） resonance excited on the D1 line of 87Rb atoms by bichromatic linearly polarized laser light. The experimental results show that a lin｜｜lin tran- sition scheme is a promising alternative to the conventional circular-circular transition scheme for an atomic magnetometer. Compared with the circular light transition scheme, linear light accounts for high-contrast transmission resonances, which makes this excitation scheme promising for high-sensitivity magnetometers. We also use linear light and circular light to detect changes of a standard magnetic field, separately.     

Influence of optical aberrations in an atomic gyroscope

In atom interferometry based on light-induced diffraction, the optical aberrations of the laser beam splitters are a dominant source of noise and systematic effect. In an atomic gyroscope, this effect is dramatically reduced by the use of two atomic sources. But it remains critical while coupled to fluctuations of atomic trajectories, and appears as a main source of noise to the long term stability. Therefore we measure these contributions in our set-up, using cold cesium atoms and stimulated Raman transitions.