【摘要】：無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁力計是目前靈敏度最高的磁場探測器,具有對低頻信號敏感、無需低溫、功耗低、易小型化等優(yōu)點,從而得到了廣泛的應(yīng)用,其中零場-超低場磁共振探測是其一個重要應(yīng)用方向。相比于傳統(tǒng)的高場核磁共振,零場-超低場磁共振具有無需低溫、超窄線寬、譜學(xué)特性豐富等特點,已經(jīng)被驗證在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析、基礎(chǔ)物理研究等方面具有重要應(yīng)用價值。然而,零場-超低場核磁共振作為一個較新的領(lǐng)域,其理論基礎(chǔ)和控制技術(shù)方面亟需發(fā)展。圍繞“無自旋交換弛豫原子磁力計及其零場-超低場核磁共振的應(yīng)用”這一課題,本人在攻讀博士學(xué)位期間主要完成以下工作:1.在平臺建設(shè)方面,主要參與搭建了銣原子SERF磁力計和零場-超低場核磁共振實驗平臺。通過對磁力計的工作溫度、激光頻率與波長等參數(shù)進行優(yōu)化測試,實現(xiàn)了18fT/(?)的靈敏度;實現(xiàn)了零場強耦合自旋體系下自旋初態(tài)的制備、操控以及讀出等操作,單次實驗的核磁共振信噪比可達100。該工作為基于SERF磁力計的零場-超低場核磁共振的研究提供了必要的實驗條件。2.在零場-超低場核磁共振譜學(xué)方面,基于搭建的實驗平臺,獲得了一系列不同多自旋強耦合化學(xué)分子樣品的零場-超低場核磁共振譜;通過將龐特里亞金最大值原理和對稱約化方法結(jié)合,獲得了在零場條件下兩自旋體系的任意單自旋旋轉(zhuǎn)的時間最優(yōu)控制的解析解,并在搭建的實驗平臺實現(xiàn)了該最優(yōu)控制操作,平均保真度達到99%,相比于之前的組合脈沖,該最優(yōu)控制可節(jié)約70-80%的時間;3.在理論上將自旋交換光泵理論模型擴展到多原子氣體分子體系,并探究了光泵技術(shù)極化氣體分子的可行性,該工作對實現(xiàn)氣體核磁共振具有一定的指導(dǎo)作用。
【圖文】：

磁場測量技術(shù)作為認知物理世界的重要物理技術(shù)，已被廣資源探測和生物醫(yī)學(xué)中。由于對弱磁場測量技術(shù)的廣泛需求，到不斷地提高。激光器的誕生起，由于其光學(xué)抽運效率高，泵原子磁力計中。在堿金屬原子磁力計中，工作介質(zhì)主要有外層電子通過光泵方法獲得極化度，且在外部磁場作用下動頻率可以獲得磁場大小。其基本原理如圖１．１所示，將一子獲得極化度，在外磁場作用下原子極化矢量做拉莫爾進動；向上有一束線偏振光，用以探測進動原子極化度在該方向上對線偏振光中左、右旋偏振分量的折射率不同，在通過氣體偏振方向會發(fā)生變化；通過檢測偏振度的變化，可以獲得磁年的發(fā)展，原子磁力計已經(jīng)具有非常高的靈敏度，其中無自ｘｃｈａｎｇｅ邋ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ邋ｆｒｅｅ，邋ＳＥＲＦ）原子磁力計具有極高的靈敏論上可達到２邋ａＴ／邋ｖ＾［７］，，目前已實現(xiàn)的靈敏度為０．１６仃／超過基于超導(dǎo)量子干涉器件（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｑｕａｎｔｕｍ邋ｉｎｔｅＵＩＤ）的磁力計。在下文中我們將對堿金屬磁力計的發(fā)展進

圖１．２芯片級原子磁力計，（ａ）為結(jié)構(gòu)示意圖，（ｂ）為實物圖。逡逑（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｓｙｓｔｅｍｓ）技術(shù)實現(xiàn)芯片級原子磁力計，其體積約為？逡逑２５ｃｍ３，磁力計靈敏度為５ｐＴ／ｙ＾，帶寬為１－ｌＯＯＨｚ。其裝置為圖１．２，左側(cè)圖逡逑代表探頭示意圖，從下到上依次為激光器、聚酰亞胺墊片、光學(xué)系統(tǒng)（包括中逡逑性片、起偏器，四分之一波片、中性片）、加熱系統(tǒng)、帶有ｒｆ線圈的Ｒｂ氣體室逡逑和光電二極管；右圖為實物圖，金色線為導(dǎo)線［１３］。２０１０年，Ｍ．Ｗｅｉｓｅｍｌ等人通逡逑過二向色性光學(xué)裝置將泵浦光和探測光集中在一光軸上，其裝置如圖１．３所示。逡逑在此裝置中，探測光和泵浦光源于兩個獨立光源，參數(shù)可分別調(diào)節(jié)，但是兩束光逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O657.2;TH89

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本文編號：2673198