【摘要】：基于原子系統(tǒng)的磁場精密測量在諸如地球物理、資源勘探、導航、生命科學與醫(yī)療、基礎物理等眾多領域有著廣泛而重要應用。高靈敏度的原子磁力儀是實現(xiàn)這類精密測量的核心,它通常利用原子自旋在外場中的拉莫爾進動以實現(xiàn)對磁場的絕對測量。然而在這類量子系統(tǒng)中,測量靈敏度往往受限于自旋的相干壽命τ0,在相干壽命尺度外,靈敏度隨測量時間受限于τ-1/2。論文從延長τ0及探索在ττ0時優(yōu)于τ-1/2的測量方法兩方面出發(fā),研究提高原子系統(tǒng)測量靈敏度的方法。論文首先探索延長自旋相干壽命的方法,研究堿金屬原子內涂層氣室的制備。氣室制備工藝的改進傾向于經(jīng)驗性摸索,論文最終在球形α烯烴涂層氣室中實現(xiàn)超過3 s的電子自旋縱向弛豫壽命并在柱形氣室中實現(xiàn)30ms的超精細能級壽命。進一步,論文探索優(yōu)于1/(?)的測量方法并證明,利用無損探測和相干泵浦,可將新制備的自旋信號的初相位參考到前次自旋相位上,能延續(xù)自旋相位信號的相干性,使自旋自持再生,持續(xù)進動,在長于其相干壽命尺度上實現(xiàn)1/(?)測量。論文基于85Rb原子自旋搭建自持再生原子磁力儀實驗系統(tǒng),研究自持再生方法中自旋進動信號的相位相干性隨測量時間的變化。通過與Larmor進動同頻同相的相干泵浦,自旋能自持再生,且在超過自旋相干壽命的尺度下,磁力儀靈敏度隨測量時間仍能以1/(?)規(guī)律快速提高。1/τ的轉折點出現(xiàn)在300 ms以后,比自旋相干壽命τ0 = 30 ms長一個量級,此時磁力儀靈敏度接近自旋投影噪聲極限,達到240fT/(?) @ 1 Hz,受限于原子氣室的工作溫度。自持再生磁力儀輸出連續(xù)的相位信號,方便運用濾波、混頻等信號處理技術。在磁力儀基礎上,論文搭建了混頻方案的自持再生梯度測量系統(tǒng),實現(xiàn)梯度近300fT/(?)@1 Hz的靈敏度�；谔荻葴y量,論文探索了一種新的磁場相位鎖定方法:將Larmor進動信號鎖相至參考晶振上以鎖定目標磁場。相比于幅度鎖定,相位鎖定過程中噪聲能以1/τ被快速降低�；谧孕猿衷偕椒�,論文實現(xiàn)了原子磁力儀在ττo時的τ-1測量。τ-1可使測量噪聲隨時間快速下降至接近量子投影噪聲水平,提高測量靈敏度。自持再生方法延長信號相位相干性的思想通用,也可用于原子鐘等量子系統(tǒng)。1/(?)測量的累積誤差為一常數(shù)而τ-1/2將以τ發(fā)散。T-1的實現(xiàn)方法無論對原子磁力儀還是對累積誤差起著關鍵作用的頻標、慣導等領域均有著重大意義。
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH701

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本文編號：2801223