《非禁止超高精度原子磁強計實現方法研究》是依託北京航空航天大學，由董海峰擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：非禁止超高精度原子磁強計實現方法研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：董海峰
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於無自旋交換弛豫（SERF）的原子磁強計實現了亞fT量級的超高精度磁場測量，並且不需要致冷、具有小型化和晶片化的潛力。但是SERF態原子磁強計必須工作在零磁場附近（＜1nT），因此通常不能直接用於非禁止磁場的檢測。.本項目針對非禁止SERF態原子磁強計實現過程中的兩大關鍵技術障礙，即三軸磁場閉環檢測中抽運光方向低靈敏度的問題和非禁止大量程下電流波動磁噪聲的問題，提出新的解決方法。主要研究內容包括：（1）研究光位移SERF態原子自旋操控方法，提高抽運光方向磁場的靈敏度；（2）研究雙原子腔單電流源對稱原子系綜製備方法，消除電流波動磁噪聲，測試微弱的磁場變化；（3）兩種方法的集成實驗。.上述研究的目的是從理論和實驗上驗證SERF態超高精度磁場檢測在非禁止環境下套用的可行性，同時也有助於深入理解光位移與SERF態原子的相互作用機理，為相干原子製備和操控提供更多的手段和方法。
結題摘要
原子磁強計對磁場的測量基於原子自旋特性，其本質上是一種磁共振現象，由於原子具有穩定的旋磁比，因此原子磁測量與其他磁測量方式，如磁通門磁強計、磁阻磁強計相比，具有測量精度上的優勢。近些年來，隨著無自旋交換弛豫（Spin Exchange Relaxation Free, SERF）等原子態的實現，原子磁強計達到甚至超過了幾十年來磁探測領域靈敏度最高的超導量子干涉磁強計（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）， 成為了世界上靈敏度最高的磁強計。並且原子自旋磁強計不需要超低溫致冷，因此可以大幅縮小裝置的體積和成本，甚至實現器件的晶片化製備，能套用於更多的場合。 本項目基於上述研究背景，圍繞零場共振SERF原子磁強計需要零場工作環境，且只能測量單方向磁場；大磁場共振Mx原子磁強計只能測量總場大小，無法實現三分量測量的問題，開展非禁止環境下高精度原子磁強計的研究，也即大背景磁場下三軸磁場的檢測，提出相應的一系列測量方法，包括基於自旋調製的大背景磁場下三軸測量方法、單光束三軸正交調製方法和非禁止下脈衝雷射抽運方法等。解決了其中的關鍵技術問題，包括如何提高抽運光方向磁場靈敏度的問題和如何消除補償磁場中電流波動磁噪聲等問題。最後在上述方法成功設計和實驗驗證的基礎上，項目開展了測試系統集成製備方面的探索性研究，設計並加工了真空熱隔離光加熱原子氣室以及三軸集成原子磁測量敏感表頭。 本項目研究的重要結果包括：項目提出並實驗驗證了非禁止環境下多種高精度三軸磁測量方法，其中基於自旋調製的大背景磁場下三軸測量方法利用聲光調製器對抽運雷射進行調製，同時解調被自旋調製後的檢測光信號，從而得到三軸的磁場信息，該方法在測量過程中不需要任何外部調製磁場，是一種全光測量方法，在大背景磁場下實現了0.8pT/Hz^1/2的磁場檢測靈敏度。短脈衝抽運測量方法實現了20ns的短脈衝原子自旋操控，在地磁環境下實現了原子自旋的短脈衝抽運；單光束非禁止三軸正交調製方法解決了單光束三分量磁場測量中對抽運光方向磁場不敏感的問題，同時通過正交相位機制，減少了測試系統中鎖相放大器的數量，簡化了測試系統的配置。利用該方法成功實現了單光束三軸磁場測量，測量靈敏度達到300fT/Hz^1/2。 項目探索了基於高精度原子磁強計的三分量測量方法，這些方法的提出和實驗
