銣原子相干效應(yīng)及CPT磁強計研究.pdf

1、相干光場與原子相互作用產(chǎn)生多種原子相干效應(yīng)，如四波混頻（Four Wave Mixing，F(xiàn)WM）、電磁感應(yīng)透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)、相干布居捕獲(Coherent Population Trapping，CPT)、電磁誘導(dǎo)吸收、糾纏態(tài)等，這些效應(yīng)一直以來都是量子光學(xué)研究的熱點，也已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器、抗弛豫鍍膜、消除自旋交換弛豫等技術(shù)的進步

2、，基于原子相干效應(yīng)的光學(xué)磁強計也受到了廣泛的關(guān)注，其靈敏度和空間分辨率已經(jīng)能與超導(dǎo)量子干涉磁強計相媲美，但卻不需要低溫環(huán)境，這是它的一個顯著的優(yōu)勢。本論文理論上將圍繞銣原子多能級體系的原子相干效應(yīng)（如四波混頻、電磁感應(yīng)透明、四體糾纏等）展開研究，實踐上將圍繞相干布居捕獲磁強計的設(shè)計和制作展開研究。
　　四波混頻效應(yīng)是三個相干的光場作用在原子系統(tǒng)上產(chǎn)生第四個光場的非線性作用過程，是多波混頻效應(yīng)中最為典型的代表之一。電磁感應(yīng)透明是利用

3、原子相干來控制原子對光的吸收和色散特性的一種現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象可以在同一種原子能級結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生，而且還可以利用電磁感應(yīng)透明來研究四波混頻效應(yīng)。
　　文中以87 Rb作為研究對象，以四波混頻的作用過程方程為基礎(chǔ)研究了在多普勒效應(yīng)作用下，原子系統(tǒng)中四波混頻效應(yīng)輸出信號與光場失諧、光場強度和原子系統(tǒng)溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度升高將導(dǎo)致輸出的四波混頻信號幅度減小，泵浦光和控制光場強增大將導(dǎo)致信號減小，同時發(fā)現(xiàn)不同速率原子可以控制四波混頻信號的輸出；

4、依據(jù)作用過程得到了探測光的透射系數(shù)，獲得了原子速度為零的吸收譜，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)透明和飽和吸收效應(yīng)。我們還研究了在多普勒效應(yīng)作用下，光場場強的改變和溫度的不同對輸出光譜信號的影響。根據(jù)三個光場作用于?三能級系統(tǒng)的相干理論，還搭建了以兩個外腔半導(dǎo)體激光器和銣原子氣池為主的實驗系統(tǒng)，實驗驗證了電磁感應(yīng)透明效應(yīng)和飽和吸收效應(yīng)的存在。
　　CPT是當相干光場與原子相互作用時，光場的相干性不隨時間而演化，各個能級上的原子布居保持不變的現(xiàn)象。文

5、中，主要研究了相干布居捕獲效應(yīng)和基于相干布居捕獲效應(yīng)的磁強計。文中研究了?三能級系統(tǒng)中產(chǎn)生相干布居捕獲效應(yīng)的理論和塞曼效應(yīng)中的磁場與能級之間的關(guān)系，還研究了利用相干布居捕獲效應(yīng)和塞曼效應(yīng)測磁場的基本原理，分析了探測光的偏振態(tài)對CPT結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)雙色線偏振光能提高信噪比。根據(jù)靈敏度理論，文中還提出了提高靈敏度的方法，并給出了原子氣池設(shè)計的理論依據(jù)和參考值。
　　依據(jù)CPT測磁場原理，制定了基于CPT磁強計的工作方案，定制了激光器

6、和原子氣池，設(shè)計了主要的電路、光路和傳感器機械結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，測試了垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的波長和精細光譜，波長線寬為0.13 nm，波長-溫度系數(shù)0.05380nm/ C，波長-電流系數(shù)0.3245 nm/mA。實驗得到了低頻壓控振蕩器的頻率-電壓系數(shù)為7166.7659 Hz/V，還測試了頻率調(diào)制的特性，87Rb原子的吸收譜和疊加吸收譜。測試結(jié)

7、果表明，相干布居捕獲信號線寬達到0.64 kHz，磁場分辨率優(yōu)于3 nT，與商用磁強計19GSM?測量結(jié)果相吻合。
　　最后，還研究了五能級原子的四體糾纏和在磁場測量中應(yīng)用的可能性。文中以銣87的K型原子結(jié)構(gòu)為模型，建立了注入原子相干的初始原子布居，通過產(chǎn)生糾纏條件的判據(jù)分析了四體糾纏的存在和控制參數(shù)的取值范圍，討論了熱光數(shù)對糾纏的破壞作用，并且依據(jù)K型原子的能級結(jié)構(gòu)特點和相干布居捕獲，分析了利用這種能級結(jié)構(gòu)的光學(xué)磁強計的優(yōu)點，并