高灵敏铷原子磁力计的研制

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从战国时期仅能指明方向的司南,到近些年来最灵敏的超导量子干涉仪等,人们研制与发展超高灵敏度的磁力计的脚步从未停止。超灵敏原子磁力计是一种测量光泵后的碱金属原子蒸气在磁场中的拉莫尔进动来对微弱磁场进行测量的仪器装置。这种原子磁力计在灵敏度上可以与超导量子干涉仪相媲美,但无需超低温液体来维持仪器的超导状态,因此,碱金属原子磁力计具有超高灵敏度、低成本、可小型化等特点。本文设计并优化了泵浦-探测构型的Rb原子磁力计,实现了优于20 fT/Hz1/2的灵敏度。本文成果如下:(1)设计和实现了主被动磁屏蔽系统。被动磁屏蔽是由高磁导率坡莫合金制作的高屏蔽系数的磁屏蔽罩,理论上磁屏蔽系数为108,实际内部剩余磁场低于1 nT;主动磁屏蔽为高均匀度的匀场线圈,轴向不均匀度低于千分之一。(2)设计与实现了泵浦-探测构型的光路系统和基于碱金属原子饱和吸收谱的锁频系统。(3)设计与加工了加热炉与磁屏蔽内部支撑,方形的Rb原子蒸气室放置于加热炉的中心,双绞的加热丝绕于加热炉的表面。利用高频交流电加热和PID反馈方式实现了加热和温度控制,控温精度0.1℃。(4)优化激光参数和工作温度,提高磁场信号的响应幅度和信噪比,优化磁力计灵敏度。
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