磁场测量被广泛应用于导航、探测、诊断、预报等各个领域，在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。近年来，随着量子科技的快速发展，各种新型光学原子磁力仪不断涌现，测量指标不断刷新，已成为磁场测量的重要手段。本书以铯原子磁力仪为代表，介绍光学原子磁力仪的发展、理论、特性、噪声、制作方法等内容。本书共12章，内容主要包括磁场测量的应用领域、原子磁力仪及其发展、铯原子磁力仪的理论基础、全光铯原子标量磁力仪、铯原子矢量磁力仪、磁力仪的量子极限噪声、铯原子磁力仪物理系统的参数分析、铯原子磁力仪闭环系统的研制与测试、磁屏蔽装置、无磁热气流加热温控装置、激光器与稳频技术、两种微小偏转角检测方法等。
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前言
第1章磁场测量的应用领域1
1.1地质勘探1
1.2军事领域3
1.3心磁脑磁测量5
1.4地震预测6
1.5工业领域7
1.6其他应用8
参考文献9
第2章原子磁力仪及其发展12
2.1核子旋进磁力仪12
2.2光泵磁力仪13
2.3超导量子干涉磁力仪16
2.4新型原子磁力仪17
2.4.1原子磁力仪的发展现状18
2.4.2原子磁力仪的发展趋势24
参考文献29
第3章铯原子磁力仪的理论基础37
3.1铯金属原子37
3.2外磁场中的铯原子39
3.2.1塞曼效应39
3.2.2拉莫尔进动41
3.3激光泵浦与原子极化过程42
3.3.1激光泵浦的理论模型42
3.3.2铯原子D1线泵浦时的粒子数分布43
3.4原子自旋极化的光学检测46
3.4.1圆双折射检测46
3.4.2圆二向色性检测46
3.5极化铯原子的弛豫48
3.5.1自旋交换碰撞弛豫49
3.5.2自旋破坏碰撞弛豫50
3.5.3极化原子与器壁的碰撞弛豫51
3.6光谱线型及线宽52
3.6.1自然线宽53
3.6.2缓冲气体的压力增宽53
3.6.3多普勒增宽55
3.6.4渡越增宽55
3.6.5饱和增宽56
参考文献56
第4章全光铯原子标量磁力仪58
4.1Bell-Bloom磁力仪基本原理58
4.1.1玻尔兹曼分布58
4.1.2原子极化的物理过程59
4.1.3理论响应曲线62
4.2弱磁场下磁力仪共振光谱的研究63
4.2.1物理系统的实现63
4.2.2灵敏度分析66
4.3强磁场下磁力仪共振光谱的研究68
4.3.1非线性塞曼效应68
4.3.2强磁场下的共振光谱理论70
4.3.3强磁场下共振光谱的试验结果72
参考文献73
第5章铯原子矢量磁力仪75
5.1矢量原子磁力仪的工作原理75
5.2矢量原子磁力仪的设计与性能分析76
5.2.1矢量磁场的建立76
5.2.2矢量原子磁力仪的灵敏度分析80
参考文献83
第6章磁力仪的量子极限噪声84
6.1三种原子磁力仪84
6.2转换系数85
6.2.1B1型原子磁力仪85
6.2.2B0型原子磁力仪86
6.2.3Bx、By和Bz型原子磁力仪87
6.3自旋投影噪声96
6.4光子散粒噪声99
6.5光频移噪声100
6.6横向弛豫时间的计算101
6.6.1抽运光引起的弛豫率101
6.6.2自旋破坏碰撞弛豫率102
6.6.3自旋交换弛豫率102
6.6.4侧壁碰撞破坏弛豫率103
参考文献103
第7章铯原子磁力仪物理系统的参数分析106
7.1磁力仪的频率响应和灵敏度分析106
7.1.1磁力仪的频率响应106
7.1.2磁力仪的灵敏度分析108
7.2磁力仪物理系统响应带宽的测试与分析111
7.2.1泵浦光调制器-探测器系统的响应时间测量111
7.2.2磁力仪物理系统的响应时间测量112
7.3影响磁力仪性能的参数分析114
7.3.1激光频率的影响115
7.3.2激光光强的影响118
7.3.3泵浦光光斑大小的影响121
7.3.4泵浦光调制波形和调制幅度的影响122
参考文献124
第8章铯原子磁力仪闭环系统的研制与测试125
8.1铯原子磁力仪共振频率跟踪锁定的方法125
8.1.1正弦调制锁频125
8.1.2半高宽锁频126
8.1.3色散零点锁频127
8.2铯原子磁力仪数字频率跟踪系统的研制127
8.2.1数字频率跟踪系统的方案设计127
8.2.2系统的工作流程128
8.3铯原子磁力仪闭环性能测试130
8.3.1磁场跟踪测试130
8.3.2闭环灵敏度测试130
8.3.3响应速度测试132
参考文献133
第9章磁屏蔽装置134
9.1磁屏蔽装置简介134
9.1.1磁屏蔽的基本原理134
9.1.2磁导率的影响因素135
9.2磁屏蔽装置的屏蔽系数136
9.2.1单层球形屏蔽装置的屏蔽系数136
9.2.2单层圆柱形屏蔽装置的屏蔽系数137
9.2.3多层磁屏蔽装置的屏蔽系数分析138
9.3磁屏蔽装置的参数优化142
9.3.1球形屏蔽装置的尺寸优化142
9.3.2圆柱形屏蔽装置的尺寸优化142
9.4圆柱形屏蔽筒的轴向磁场分布144
参考文献147
第10章无磁热气流加热温控装置148
10.1几种加热方式的对比分析148
10.2热气流加热系统的设计与测试149
10.3光纤光栅测温系统151
参考文献153
第11章激光器与稳频技术154
11.1激光器的选择154
11.2饱和吸收谱稳频技术155
11.2.1饱和吸收谱稳频的原理155
11.2.2饱和吸收谱稳频的方法156
11.3消多普勒极化谱技术158
11.3.1消多普勒极化谱原理158
11.3.2消多普勒极化谱试验装置160
11.4线性磁光效应稳频技术161
11.4.1线性磁光效应稳频基本原理162
11.4.2不同角度下DAVLL的理论曲线163
11.4.3试验方法165
参考文献167
第12章两种微小偏转角检测方法168
12.1分光束检测法168
12.1.1分光束检测法的基本原理168
12.1.2光电转换电路的设计169
12.1.3分光束检测法的系统性能测试170
12.2法拉第调制技术171
12.2.1法拉第调制技术的基本原理171
12.2.2法拉第调制技术性能测试173
参考文献175
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