【摘 要】
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碱金属原子磁力计是利用外场中的原子自旋极化实现磁场测量。目前最好的原子磁力计的灵敏度已经优于超导量子干涉器件（SQUID）磁力计,实现了磁场灵敏度为0.16f T/Hz1/2,因此原子磁力计具有广泛的应用前景。本文主要研究基于Cs原子自旋极化的原子磁力计的工作原理、参数优化和灵敏度评估等内容。首先介绍原子磁力计的研究背景和进展以及已经取得的灵敏度,又简要介绍了三类常见的原子磁力计,分别是无自旋交换
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碱金属原子磁力计是利用外场中的原子自旋极化实现磁场测量。目前最好的原子磁力计的灵敏度已经优于超导量子干涉器件（SQUID）磁力计,实现了磁场灵敏度为0.16f T/Hz1/2,因此原子磁力计具有广泛的应用前景。本文主要研究基于Cs原子自旋极化的原子磁力计的工作原理、参数优化和灵敏度评估等内容。首先介绍原子磁力计的研究背景和进展以及已经取得的灵敏度,又简要介绍了三类常见的原子磁力计,分别是无自旋交换弛豫（SERF）磁力计、非线性旋光磁力计和基于磁共振的磁力计。原子磁力计用自旋极化的原子实现对磁场的测量,这里采用圆偏振光泵浦极化原子,获得在准静态磁场下自旋演化的布洛赫方程的稳态解,给出旋光效应与自旋极化的解析表达式。考虑到自旋极化Cs原子在基态超精细结构能级上的分布,理论上给出旋光信号与探测光的失谐量关系并在实验上给予验证。在实验上发现自旋极化的原子在基态超精细结构能级上的分布可以用泵浦光失谐控制,并获得自旋极化分布与泵浦光失谐量的关系。自旋弛豫是决定磁力计灵敏度的关键因素,在理论上分析了Cs原子自旋弛豫的过程。实验上对探测光的失谐量和光功率、泵浦光的失谐量和光功率、磁场等条件进行优化,获得了磁力计的最佳工作条件。高灵敏的Cs原子SERF磁力计的工作温度较低,前人还未在实验上详细地研究Cs原子SERF磁力灵敏度与温度的关系。本文完成了这项工作,给出了从70℃到130℃的温度下磁力计工作的灵敏度。磁场测量精度常常受到量子噪声的限制,如探测光光子散粒噪声,原子自旋投影噪声和光频移噪声等。最后完成对原子磁力计量子噪声和灵敏度的测量,分别给出了光子散粒噪声,原子自旋投影噪声,光频移噪声评估结果。在气室温度为120℃时获得磁场测量灵敏度为2.2 f T/Hz1/2,自旋投影噪声为1.4 f T/Hz1/2,光子散粒噪声为0.8 f T/Hz1/2,光频移噪声为1.2 f T/Hz1/2。在实验上完成了对泵浦光偏振度灵敏度的高精度测量,实现了泵浦光偏振度测量灵敏度为3.8×10-8rad/Hz1/2。
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