高灵敏度铷原子磁力仪
铷原子钟 用量
铷原子钟1. 简介铷原子钟是一种以铷（Rubidium）原子为基础的原子钟，用于精确测量时间的仪器。
它利用铷原子在特定条件下的电磁辐射吸收和辐射发射特性，通过测量其电磁辐射的频率来确定时间。
铷原子钟具有高精度、稳定性好、体积小等优点，被广泛应用于科学研究、导航系统、通信技术等领域。
2. 原理铷原子钟的原理基于铷原子的超精细结构和微波辐射的相互作用。
在一个封闭的铷原子钟中，铷原子被冷却至接近绝对零度的温度，形成一个低能级的铷蒸汽。
通过激光束照射，将铷原子激发到一个特定的激发态，然后再用微波辐射来激发这些激发态的原子。
当微波辐射的频率与铷原子超精细结构的能级差匹配时，铷原子会吸收微波辐射的能量。
通过测量吸收能量的频率，即可确定时间。
铷原子钟的核心部件是一个铷原子腔。
铷原子腔是一个用于存储铷原子的容器，其内部有高度稳定的磁场和温度控制系统。
通过调节磁场和温度，可以控制铷原子的超精细结构能级，从而实现对微波辐射频率的测量和稳定。
3. 应用铷原子钟在科学研究、导航系统、通信技术等领域有着广泛的应用。
3.1 科学研究铷原子钟在科学研究中起着重要的作用。
它的高精度和稳定性使其成为测量时间、频率、加速度等物理量的重要工具。
铷原子钟被广泛应用于精密测量、实验物理、天文学等领域，为科学家们提供了准确可靠的时间基准。
3.2 导航系统铷原子钟被广泛应用于导航系统中，如全球定位系统（GPS）。
在GPS系统中，铷原子钟被用于提供卫星信号的时间标准，确保定位精度和时间同步。
铷原子钟的高精度和稳定性使得GPS系统能够提供准确的定位和导航服务。
3.3 通信技术铷原子钟在通信技术中也有重要的应用。
在光纤通信系统中，铷原子钟被用于同步光信号的传输。
通过使用铷原子钟提供的精确时间标准，可以确保光信号在光纤中的传输稳定和高效。
4. 发展趋势随着科学技术的不断发展，铷原子钟也在不断改进和发展。
4.1 更高的精度和稳定性目前的铷原子钟已经具备很高的精度和稳定性，但科学家们仍在努力提高其性能。
铷原子钟的工作原理
铷原子钟的工作原理一、引言铷原子钟是一种高精度的时间测量设备，它基于铷原子的特性来进行精确的频率测量。
在本文中，我们将深入探讨铷原子钟的工作原理。
二、铷原子钟的基本原理铷原子钟的基本原理是利用铷原子的能级结构和自旋磁矩来实现时间测量。
铷原子具有两个稳定的能级：基态和激发态。
这两个能级之间的跃迁频率是非常稳定的，可以作为时间单位。
三、核心组成部分铷原子钟主要由以下几个核心组成部分构成：1. 蒸发器蒸发器用于将铷金属转化为铷蒸汽。
铷金属经过加热后，变成气体状态，准备用于后续的操作。
2. 紧凑石英腔紧凑石英腔是一个封闭的空间，用于容纳铷原子的蒸汽。
石英腔具有高度稳定的温度环境，可以保证铷原子的稳定性。
3. 激光系统激光系统包括激光发生器和激光调制器。
激光发生器产生出稳定的激光束，并通过激光调制器对激光进行调制，以控制铷原子的跃迁过程。
4. 探测器探测器用于检测激光束经过铷原子后的变化。
通过测量激光束的干涉信号，可以获得铷原子的跃迁频率信息。
四、工作过程铷原子钟的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 蒸发铷原子铷金属经过加热后转化为铷蒸汽，填充到紧凑石英腔中。
2. 激光激发激光束通过激光调制器，对铷原子进行激发。
激光的频率等于铷原子的跃迁频率。
3. 跃迁检测探测器检测激光束经过铷蒸汽后的干涉信号，并将其转化为电信号。
4. 频率测量通过对探测器输出的电信号进行处理，可以得到铷原子跃迁的精确频率。
5. 输出时间信号根据铷原子的跃迁频率，输出稳定精确的时间信号。
五、优势和应用铷原子钟具有以下几个优势：•精度高：铷原子钟的频率稳定性非常高，可以达到纳秒级。
•可靠性强：铷原子钟的工作稳定性高，长时间运行不会出现明显的漂移。
•应用广泛：铷原子钟在卫星导航、无线通信、科学研究等领域有着广泛的应用。
六、总结铷原子钟是一种基于铷原子能级结构的高精度时间测量设备。
它通过蒸发铷原子、激光激发、跃迁检测等步骤来实现精确的频率测量。
基于铷—氙气室原子磁力仪装置的磁场测量研究
基于铷—氙气室原子磁力仪装置的磁场测量研究磁场广泛存在于自然界中,对于微弱磁场的精密测量不仅应用广泛,还推动多个研究领域的进步与发展。
随着量子调控与光电检测技术的快速发展,利用原子自旋进行超灵敏磁场探测的实验装置研究已成为热点。
其中,无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free,SERF)碱金属原子磁力仪成为目前灵敏度最高的磁场测量装置,已实现的灵敏度达到0.16 fT/(?),但受限于其工作条件与磁场测量的特点,其使用范围有限。
对不同类型原子磁力仪磁场测量能力的研究有助于满足不同的磁场测量要求。
本文针对微弱磁场精密测量问题,参与自主搭建了铷-氙气室原子磁力仪实验装置,并对其基本特点展开研究,内容包括以下两个方面:1)实验装置基本参数测试。
通过实验定标给出数据采集卡四通道噪声水平、屏蔽筒装置内匀场与脉冲线圈的线圈系数定标值、129Xe的π/2脉冲施加方法及其旋磁比,并通过实验测量给出超极化129Xe的横向与纵向弛豫时间分别约为20.6 s与21.5 s,对装置后期实验方案的设计、评估与实施具有重要的参考作用。
2)实验装置磁场测量能力标定。
实验标定了铷-氙气室原子磁力仪两种磁场测量方式的磁场测量能力。
第一种是通过测量外磁场对87Rb原子极化的影响来测量磁场,实验标定结果给出在2100 Hz频率范围内交流磁场测量的灵敏度约为1.5 pT/(?),带宽约为2.8 kHz。
第二种则是通过测量铷-氙气室内超极化129Xe的拉莫进动频率来测量外磁场,实验标定结果给出静磁场与超低频交流磁场测量能力:静磁场测量精度约为9.4 pT,测量范围超过50 μT;超低频交流磁场测量的频率上限为3.93 mHz,在频率为1 mHz和2 mHz的位置,磁场测量极限为0.392 nT与0.474 nT,频率分辨率值分别低于0.026 mHz与0.039 mHz。
铷-氙气室原子磁力仪实现了对静磁场、超低频交流磁场与较高频(相比SERF原子磁力仪带宽)交流磁场的测量,具有与SERF碱金属原子磁力仪不同的磁场测量特点,具有广泛的应用前景。
基于Cs原子磁力仪的高灵敏度磁场方向测量方法
２ ０ １ ７年 第 ３ ６卷 第 ８期
传感器 与微 系统（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ）
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抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究
抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究缪培贤;杨世宇;王剑祥;廉吉庆;涂建辉;杨炜;崔敬忠【摘要】报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 nT的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.%We report a rubidium atomic magnetometer based on pump-probe nonlinear magneto-optical rotation. The rubid-ium vapor cell is placed in a five-layer magnetic shield with inner coils that can generate uniform magnetic fields along the direction of pump beam, and the cell is also placed in the center of a Helmholtz coil that can generate an oscillating magnetic field perpendicular to the direction of pump beam. The atoms are optically pumped by circularly polarized pump beam along a constant magnetic field in a period of time, then the pump beam is turned off and a π/2 pulse of oscillating magnetic fiel d for 87Rb atoms is applied. After the above process, the individual atomic magnetic moments become phase coherent, resulting in a transverse magnetization vector precessing at the Larmor frequency in the mag-netic field. The linearly polarized probingbeam is perpendicular to the direction of magnetic field, and can be seen as a superposition of the left and right circularly polarized light. Because of the different absorptions and dispersions of the left and right circularly polarized light by rubidium atoms, the polarization direction of probing beam rotates when probing beam passes through rubidium vapor cell. The rotation of the polarization is subsequently converted into an electric signal through a polarizing beam splitter. Finally, the decay signal related to the transverse magnetization vector is measured. The Larmor frequency proportional to magnetic field is obtained by the Fourier transform of the decay signal. The value of magnetic field is calculated from the formula: B =(2π/γ)f , where γ and f are the gyromagnetic ratio and Larmor frequency, respectively. In order to measure the magnetic field in a wide range, the tracking lock mode is proposed and tested. The atomic magnetometer can track the magnetic field jump of 1000 nT or 10000 nT, indicating that the atomic magnetometer has strong locking ability and can be easily locked after start-up. The main performances in different magnetic fields are tested. The results show that the measurement range of the atomic magnetometer is from 100 nT to 100000 nT, the extreme sensitivity is 0.2 pT/Hz1/2, and the magnetic field resolution is 0.1 pT. The transverse relaxation times of the transverse magnetization vector in different magnetic fields are obtained, and the relaxation time decreases with the increase of the magnetic field. When the measurement range is from 5000 nT to 100000 nT, the magnetic field sampling rate of the atomic magnetometer can be adjusted in a range from 1 Hz to 1000 Hz. Theatomic magnetometer in high sampling rate can measure weak alternating magnetic field at low frequency. This paper provides an important reference for developing the atomic magnetometer with large measurement range, high sensitivity and high sampling rate.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)016【总页数】11页(P47-57)【关键词】原子磁力仪;非线性磁光旋转;灵敏度;磁场采样率【作者】缪培贤;杨世宇;王剑祥;廉吉庆;涂建辉;杨炜;崔敬忠【作者单位】兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州 730000;兰州空间技术物理研究所, 真空技术与物理重点实验室, 兰州730000【正文语种】中文报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 nT的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.高灵敏度的原子磁力仪在生物医学[1,2]、惯性导航[3,4]、军事磁异反潜[5]、基础物理研究等[6−9]领域具有重要的应用.目前国际上出现了Mz和Mx模式的光泵磁力仪、相干布居囚禁磁力仪、非线性磁光旋转(nonlinear magneto-optical rotation,NMOR)磁力仪、无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)磁力仪等多种原子磁力仪[10],其中SERF磁力仪灵敏度已达到fT/Hz1/2量级[11−13].近年来,国内有多家单位开展了原子磁力仪的研究.例如浙江大学研制了铷光泵磁力仪,零磁场附近灵敏度达到0.5 pT/Hz1/2[14];北京大学详细讨论了铯光泵磁力仪的参数优化问题,得到最优的灵敏度为2.5 pT/Hz1/2[15];国防科学技术大学研制了NMOR铷原子磁力仪,测量范围为±60 nT,灵敏度达到1 pT/Hz1/2[16],后来经过进一步优化实验条件,灵敏度达到0.2 pT/Hz1/2[17].总体而言,国内原子磁力仪的研制还处于起步阶段,在灵敏度、测量范围、磁场采样率等指标上还有很大的提升空间[18].本文系统地研究了抽运-检测型的NMOR铷原子磁力仪,测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT,磁场采样率最高可达1000 Hz.研究的NMOR铷原子磁力仪用两束激光完成外磁场中原子系综极化态的制备与探测,圆偏振抽运光与外磁场平行,线偏振探测光与外磁场垂直.铷原子磁力仪采用87Rb原子D1线跃迁制备极化态原子介质,即基态52S1/2到第一激发态的52P1/2的跃迁,对应波长为795 nm.基态52S1/2的两个精细能级分别是52S1/2(Mj=−1/2)和52S1/2(Mj=+1/2),795 nm的左旋圆偏振光(σ+光子)可被处于52S1/2(Mj= −1/2)基态的87Rb原子吸收,使得87Rb原子跃迁到52P1/2(Mj=+1/2)激发态上,激发态87Rb原子通过辐射光子后跃迁到52S1/2(Mj=−1/2)或52S1/2(Mj=+1/2)基态上,左旋圆偏振光持续作用将使铷泡内绝大部分87Rb原子最终处于52S1/2(Mj=+1/2)基态上.同理,右旋圆偏振光(σ−光子)持续作用将使铷泡内绝大部分87Rb原子最终处于52S1/2(Mj=−1/2)态上.这样,圆偏振的抽运光完成了原子系综极化态的制备.这里引入二能级磁共振的经典物理图像来解释NMOR铷原子磁力仪的工作原理[19].经过抽运光作用后,极化态的87Rb原子磁矩与外磁场B近似平行或反平行.在与外磁场垂直的平面内施加角频率ω约等于拉莫尔进动频率ω0的激励磁场B′[19],原子磁矩将在实验室坐标系中做复杂的运动,而在以角频率ω旋转的转动坐标系中,原子磁矩绕B′做进动.由于铷泡内原子间频繁的碰撞,在激励磁场的作用下使大部分铷原子磁矩绕外磁场进动的相位角趋于一致,原子系综呈现出绕外磁场进动的宏观磁化强度[20].原子磁矩在旋转坐标系中进动π角度时,相当于在外磁场B量子化轴方向上原子发生了磁共振跃迁.如果激励磁场持续作用,87Rb原子将在两个基态能级间来回跃迁.本文NMOR铷原子磁力仪要求原子磁矩在旋转坐标系中进动π/2角度,即原子系综宏观磁化强度进动到与外磁场B垂直的平面内,然后关闭激励磁场.线偏振光可以看作是左、右圆偏振光的矢量叠加,当线偏振的探测光穿过铷泡时,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致线偏振光的偏振方向会随着原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动而相对原来偏振方向做摆动,用差分探测方式探测偏振光偏振方向的摆动即可获得原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号,并由此信号傅里叶变换出拉莫尔进动频率.由外磁场B与拉莫尔进动频率f的依赖关系可获得外磁场大小[18]:其中γ是旋磁比.对于87Rb原子,γ/2π的值为6.99583 Hz/nT[18].NMOR铷原子磁力仪要求探测光不能过于破坏原子系综的极化态,显然探测光的频率不能等于87Rb原子的D1线跃迁频率.我们在实验中设定探测光频率相对于87Rb原子的D1线跃迁频率红失谐4 GHz.研制的NMOR铷原子磁力仪如图1所示.铷泡为Φ25 mm×50 mm的圆柱型气室,气室中充有100 Torr的氮气缓冲气体,采用交流无磁加热使铷泡工作在100◦C.待测外磁场B方向与抽运光方向平行,与探测光方向垂直.实验时抽运激光被扩束为10 mm×30 mm的长方形光斑,光强为20µW/mm2;探测光为直径2mm的圆斑,进入铷泡前光功率为100µW.原子磁力仪具体工作过程是:795 nm抽运激光经过声光调制器AOM和1/4玻片形成圆偏振光,扩束后作用在铷泡上,将87Rb原子磁矩抽运在与外磁场平行的方向上;抽运激光作用一段时间后关闭,用信号源给亥姆霍兹线圈输入特定时长的正弦交变信号以产生原理部分描述的激励磁场,驱动87Rb原子磁矩在与外磁场垂直的平面内绕外磁场B做拉莫尔进动;红失谐的探测激光经过偏振片,成为线偏振光穿过铷泡,用偏振分光棱镜(PBS)、光电探测器、差分放大电路、美国NI公司的PCI-5922数据采集卡和计算机中编写的Labview程序实现铷原子拉莫尔进动信号的提取及处理,得到外磁场大小.计算机可设定数字信号处理(DSP)模块的时序组合,实现磁场采样率的设定.DSP给声光调制器AOM、信号源和PCI-5922数据采集卡输入电平触发信号,分别控制作用于铷泡的抽运激光开或关、正弦交变磁场开或关以及PCI-5922数据采集卡的采集触发.图1中铷泡、铷泡加热模块、亥姆霍兹线圈被置于五层坡莫合金的磁屏蔽筒内,磁屏蔽筒内含有可产生精密待测磁场的线圈.本文系统地研究了NMOR铷原子磁力仪的测量范围、灵敏度、分辨率、磁场采样率这些性能指标.在具体介绍这些内容之前,有必要先描述原子磁力仪的时序控制过程及跟踪式锁频过程.首先介绍原子磁力仪时序控制过程.图2显示了NMOR铷原子磁力仪在关闭抽运光后不同时长激励磁场的作用效果,外磁场环境为10000 nT.在原理部分描述到,如果抽运光作用结束后激励磁场持续作用,87Rb原子将在两个基态能级间来回跃迁.图2(a)激励磁场作用10 ms,反映了该物理过程.图2(a)中插图显示了0.5 Ms时间内的测试结果,一个包络终止代表着87Rb原子在外磁场量子化轴方向上两个基态能级间的一次跃迁.将激励磁场作用时间设定为0.1 Ms,即原子系综的宏观磁化强度进动到与外磁场垂直的平面内,测试结果如图2(b)所示,由自由弛豫过程中的正弦信号可傅里叶变换出拉莫尔进动频率.图3(a)显示了NMOR铷原子磁力仪工作时的时序示意图;图3(b)显示在10000 nT磁场环境下获得的实测数据,原子磁力仪的工作周期T=10ms,抽运激光作用时长t1=3 ms,激励磁场作用时长t2=0.1Ms,该时序磁场采样率为100 Hz;图3(c)是图3(b)中的部分曲线的放大.其次介绍原子磁力仪跟踪式锁频过程,该过程在Labview程序中完成.Labview程序在每一个原子磁力仪工作周期内能够获得拉莫尔进动频率和外磁场数值,将前一个工作周期中获得的拉莫尔进动频率设定为下一个工作周期中信号源的输出频率,即实现了跟踪式锁频.本文描述的原子磁力仪跟踪式锁频方法与Mz光泵磁力仪不同,即使激励磁场振荡频率偏离拉莫尔进动频率很远,只要特定时长激励磁场的作用能够使原子系综横向磁化强度矢量不为零,本文描述的原子磁力仪就能够实现跟踪式锁频.为了验证跟踪式锁频能力,设计这样的实验:设定原子磁力仪工作时序为T=100Ms,t1=30ms,t2=0.1Ms.设定激励磁场振荡频率为70 kHz,对应约10000 nT的测量磁场.保持激励磁场振荡频率不改变,改变线圈电流,使测量磁场从5000nT增加至15000 nT.图4(a)显示激励磁场关闭后磁力仪获得的自由弛豫正弦信号最大振幅随着扫描磁场的变化,可以看出在10000 nT附近自由弛豫正弦信号振幅最大.从原理上讲,只要横向磁化矢量不为零,铷泡中的铷原子就能够对线偏振光中左、右圆偏成分实现吸收和色散,通过差分探测获得与磁场相关的自由弛豫正弦振荡信号.横向磁化矢量越大,会使自由弛豫正弦振荡信号的振幅越大.在工作原理部分我们重点描述了激励磁场振荡角频率ω约等于拉莫尔进动角频率ω0的情况,实际上当ω与ω0相差较大时,在转动坐标系中原子磁矩会感受一有效磁场(有效磁场的描述详见参考文献[19])的作用,且在转动坐标系中磁矩进动角频率ω1为[19]可以分析,设定ω0=ω时特定时长的激励磁场作用满足π/2的脉冲效果,使横向磁化矢量最大;而后因外界磁场改变导致ω0与ω相差较大时,在特定时长内激励磁场的作用效果ω1t2可能会出现3π/2+δ,5π/2+δ′等脉冲效果,其中δ或δ′的绝对值小于等于π/2,在转动坐标系中该脉冲效果使原子磁矩在与外磁场垂直平面内的投影矢量的模达到最大值,即横向磁化矢量达到极大值,因此图4(a)中在10000 nT两侧出现若干峰值也不难理解.图4(b)显示在上述扫描磁场过程中磁力仪输出的磁场值,在自由弛豫正弦信号振幅最小时易出现与外磁场无关的数据,图4(b)中若干跳点输出磁场值用(1)式换算成频率,发现该频率正好等于铷泡交流无磁加热的输出频率.图4(b)的实验结果表明,如果该原子磁力仪在跟踪式锁频模式下工作,在很宽的磁场范围内磁力仪能够实现瞬时锁定.设定磁场线圈电流使磁屏蔽筒内磁场在10000 nT 和9000 nT,或者50000 nT和40000 nT之间来回跃变,采用跟踪式锁频模式,实验结果如图4(c)和图4(d)所示,表明该原子磁力仪对1000 nT或10000 nT的跃变磁场能够实现瞬时锁定,分别对应着7 kHz或70 kHz的频率跃变.上述实验结果表明本文描述的原子磁力仪跟踪式闭环锁定可行,而且具有很强的闭环锁定能力.接下来详细介绍NMOR铷原子磁力仪的各项性能指标.1)磁场测量范围本文的NMOR铷原子磁力仪用精密电流源给磁屏蔽筒中的磁场线圈通入逐渐增加的电流I来检验磁场测量范围,采用跟踪式锁频模式测量外磁场B的大小,测试结果如图5所示.原子磁力仪可响应100—100000 nT范围内的磁场.图5中数据线性拟合结果为从表达式(3)可知,当线圈电流I为零时,磁屏蔽筒内有约27 nT的剩余磁场.2)灵敏度和分辨率本文采用磁场噪声功率谱密度(@1 Hz)来表征原子磁力仪的灵敏度.值得注意的是,目前一些文献采用功率谱或者均方根幅度谱来表征原子磁力仪的灵敏度,从物理意义上来说是不准确的.功率谱密度使测量独立于信号持续时间和采样数量,通过功率谱密度测量可检测信号的本底噪声.若采用功率谱或均方根幅度谱,我们在实验中发现随着采样时间的延长会得到更优的灵敏度指标,显然用于表征原子磁力仪的灵敏度指标不合理.首先分析500 nT外磁场环境下如何获得磁力仪的灵敏度指标.图6(a)显示了截取的自由弛豫正弦信号,代表经过铷泡的线偏振探测光偏振方向的摆动.图6(b)是图6(a)中数据的快速傅里叶变换(FFT),分析出的拉莫尔进动频率为3.5 kHz,对应着约500 nT的外磁场.图6(c)表示300 s时间内采集的磁场数据,磁场采样频率为10 Hz,磁场波动小于10 pT.图6(c)中插图部分显示了4 s时间内的磁场数据,原子磁力仪的磁场分辨率为0.1 pT.图6(d)是由图6(c)中磁场数据处理得到的噪声功率谱密度,用1 Hz频点附近11个数据的平均值代表原子磁力仪的灵敏度,得到灵敏度指标为0.2 pT/Hz1/2.本研究采用美国安捷伦科技公司的B2912 A型精密电流源产生待测磁场,电流源精度为10−6,当电流源输出的量程值分别为1MA,10MA,100MA,1 A时,分别对应着1 nA,10 nA,100 nA,1µA的电流分辨率.原子磁力仪测量的磁场由电流源产生,因此电流源的噪声将反映在磁力仪灵敏度指标测试中.图7显示了磁力仪灵敏度指标和线圈电流与外磁场大小的依赖关系.当I＞100 MA时,磁力仪灵敏度约为12pT/Hz1/2,对应电流分辨率为1µA;当10 MA＜I＜100 MA时(图中阴影部分),磁力仪灵敏度约为1 pT/Hz1/2,对应电流分辨率为100 nA;当1MA＜I＜10 MA时,磁力仪灵敏度约为0.2 pT/Hz1/2,对应电流分辨率为10 nA;特殊地,当I＜1 MA时,在50 nT磁场环境中磁力仪的灵敏度依旧为0.2 pT/Hz1/2,此时对应电流分辨率为1 nA.综上所述,本文的NMOR铷原子磁力仪的极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2.图7中线圈电流I与外磁场B在1 MA附近呈现非严格的线性关系,这是由磁屏蔽筒内的剩余磁场导致的,可参考表达式(3).3)横向弛豫时间对磁场大小的依赖关系原子系综宏观磁化强度被激励磁场作用至与外磁场垂直的平面内,该横向磁化强度将呈指数形式衰减,衰减函数的时间常数为横向弛豫时间T2,即信号幅度衰减至e−1倍所需的时间[20].本文中用y=A exp(−t/T2)函数来拟合出T2.图8(a)显示了500 nT磁场下的弛豫信号,此时原子磁力仪的工作周期T=100ms,抽运激光作用时长t1=30 Ms,激励磁场作用时长t2=5 Ms.以激励磁场关闭时为时间零点,将弛豫信号中的波峰随时间的变化曲线绘制在图8(b)中,通过指数拟合得到横向弛豫时间T2为5.946 Ms.图8(c)显示了横向弛豫时间随磁场的变化,可以看出随着磁场的增加,横向弛豫时间逐渐减小,这是由于铷泡所在区域磁场梯度的增加导致了原子系综宏观磁化强度的弛豫加快.图8(c)的实验结果对Labview程序编写时自由弛豫信号截取时长的设定具有重要参考意义.4)磁场采样率磁场采样率S是原子磁力仪的一项重要指标.目前国内光泵磁力仪磁场采样率大都小于20 Hz,而国外已出现磁场采样率为100 Hz、甚至1000 Hz的原子磁力仪[18].例如美国Geometrics公司推出的G-824 A型航空铯磁力仪的采样率达到了1000 Hz,而美国限制出口该磁力仪[18].本文的NMOR铷原子磁力仪通过设定工作周期T、抽运激光作用时长t1、激励磁场作用时长t2,可实现磁场采样率S在1—1000 Hz范围内可调.实验中当以1000 Hz磁场采样率测量10000 nT附近的恒磁场时,90%的数据落在(10000±0.1)nT以内.高磁场采样率的磁力仪可用于测量环境中低频的交变磁场,图9显示了原子磁力仪测量(10000±100)nT范围内频率为100 Hz交变磁场的实验结果,测量时激励磁场振荡频率固定为70 kHz.图9(a)是原子磁力仪采集的原始数据,随着磁场的波动原始信号的最大振幅也跟着波动;图9(b)是原子磁力仪时序示意图,设定工作周期T=1 Ms,抽运激光作用时长t1=0.3 ms,激励磁场作用时长t2=0.1 ms;图9(c)显示了测量的磁场数据.NMOR铷原子磁力仪的拉莫尔进动频率是由自由弛豫正弦信号的快速傅里叶变换曲线拟合得到,因此磁场采样率S的设定需要考虑与拉莫尔进动频率相适应,必须保证有足够多的数据能够精确拟合出拉莫尔进动频率.本文原子磁力仪在5000—100000 nT待测磁场范围内实现磁场采样率S在1—1000 Hz范围内可调,在100—5000 nT待测磁场范围内可设定S≤20 Hz.另外,本文描述的原子磁力仪在高磁场采样率条件下无法使用跟踪式锁频,这是因为跟踪式锁频步骤是在Labview程序中实现,而在程序流程中计算机与信号源通讯需要时间,采用跟踪式锁频测量时S≤20 Hz.信号源输出频率为定值时磁场采样率S可在1—1000 Hz范围内可调,参考图4(a)的实验结果,适用于测量稳定磁场附近小于1000 nT的磁场波动.本文详细地描述了NMOR铷原子磁力仪的工作原理和测量方法,系统地研究了测量范围、灵敏度、分辨率、横向弛豫时间、磁场采样率等性能指标.实验结果表明原子磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT,制备的铷原子极化态横向弛豫时间在毫秒量级,磁场采样率最高可达1000 Hz.本文用噪声功率谱密度讨论原子磁力仪的灵敏度指标时考虑了精密电流源的电流噪声,该做法对磁力仪的灵敏度指标标定具有借鉴意义.本文原子磁力仪的若干性能指标在国内以及国际上都具有先进性.除了上述列出的性能指标外,磁力仪的空间分辨率也是磁力仪的一项重要指标,而本研究采用Φ25 mm×50 mm的圆柱型气室,体积较大,下一步可研究微型原子气室的原子磁力仪.本研究的原子磁力仪在生物医学、基础物理研究方面具有潜在的应用前景.本文所描述的原子磁力仪实验装置是在浙江工业大学林强教授及其团队老师吴彬、郑文强、程冰,以及浙江科技学院李曙光副教授的帮助下搭建完成的,上述研究人员在作者搭建原子磁力仪过程中给予了诸多技术资料、技术协助和有益讨论.作者本人现场参观了浙江工业大学的原子磁力仪装置,从中获得启发,完成了本文的研究内容.作者对林强教授团队表示由衷的感谢.We report a rubidiuMatoMicMagnetoMeter based on puMp-probe nonlinearMagneto-op tical rotation.The rubidiuMvapor cell is p laced in a five-layer Magnetic shield With inner coils that can generate uniforMMagnetic fields along the direction of puMp beam,and the cell is also p laced in the center of a Helmholtz coil that can generate an oscillating Magnetic field perpendicular to the direction of puMp beam.The atoMs are op tically puMped by circularly polarized puMp beaMalong a constant magnetic field in a period of time,then the puMp beaMis turned off and aπ/2 pulse of oscillating magnetic field for87Rb atoMs is app lied.A fter the above p rocess,the individual atoMic magnetic moments becoMe phase coherent,resu lting in AtransverseMagnetization vector precessing at the LarMor frequency in theMagnetic field.The linearly polarized probing beaMis perpendicular to the direction ofmagnetic field,and can be seen as a superposition of the left and right circularly polarized light.Because of the diff erent absorptions and dispersions of the left and right circularly polarized light by rubidiuMatoMs,the polarization direction of p robing beaMrotateswhen probing beaMpasses through rubidiuMvapor cell.The rotation of the polarization is subsequently converted into an electric signal through a polarizing beaMsplitter.Finally,the decay signal related to the transverseMagnetization vector isMeasured.The LarMor frequency p roportional to Magnetic field isobtained by the Fourier transforMof the decay signal.The value ofmagnetic field is calculated froMthe formula:B=(2π/γ)f,where γ and f are the gyromagnetic ratio and LarMor frequency,respectively.In order toMeasure theMagnetic field in a Wide range,the tracking lock Mode is p roposed and tested.The atoMicMagnetoMeter can track themagnetic field juMp of 1000 nT or 10000 nT,indicating that the atoMicmagnetometer has strong locking ability and can be easily locked after start-up.The Main perforMances in diff erent Magnetic fields are tested.The results shoWthat the MeasureMent range of the atoMic magnetometer isfroM100 nT to 100000 nT,the extreme sensitivity is 0.2 pT/Hz1/2,and the magnetic field resolution is 0.1 pT.The transverse relaxation tiMes of the transverse Magnetization vector in diff erent Magnetic fields are obtained,and the relaxation tiMe decreases With the increase of the Magnetic field.When the MeasureMent range is froM5000 nT to 100000 nT,themagnetic field saMp ling rate of the atoMicmagnetometer can be ad justed in a range froM1 Hz to 1000 Hz.The atoMic MagnetoMeter in high saMp ling rate can Measure weak alternating Magnetic field at loWfrequency.This paper provides an iMportant reference for developing the atoMic MagnetoMeter With large measurement range,high sensitivity and high saMp ling rate.【相关文献】[1]Xu S,C raWford C W,Rochester S,Yashchuk V,Budker D,Pines A 2008 Phys.Rev.A 78 013404[2]Maser D,Pandey S,Ring H,Ledbetter MP,Knappe S,K itching J,Budker D 2011Rev.Sci.Instrum.82 086112[3]Kornack T W,Ghosh R K,RoMalis MV 2005 Phys.Rev.Lett.95 230801[4]Meyer D,Larsen M2014 Gyroscopy and Navigation 5 75[5]C leMT R 1998 Nav.Eng.J.110 139[6]Savukov IM,Seltzer S J,RoMalis MV 2005 Phys.Rev.Lett.95 063004[7]Budker D,RoMalis MV 2007 Nat.Phys.3 227[8]Savukov I M,RoMalis MV 2005 Phys.Rev.Lett.94 123001[9]Yashchuk V V,G ranwehr J,K iMball D F,Rochester S M,Trabesinger A H,U rban JT,Budker D,Pines A 2004 Phys.Rev.Lett.93 160801[10]Liu G B,Sun X P,Gu S H,Feng JW,Zhou X 2012 Physics 41 803(in Chinese)[刘国宾,孙献平,顾思洪,冯继文,周欣2012物理41 803][11]A llred J C,LyMan R N,Kornack T W,RoMalis MV 2002 Phys.Rev.Lett.89 130801[12]KoMinis I K,Kornack T W,A llred J C,RoMalis MV 2003 Nature 422 596[13]Dang H B,Maloof A C,RoMalis MV 2010 Appl.Phys.Lett.97 151110[14]Li S G,Zhou X,Cao X C,Sheng J T,Xu Y F,Wang Z Y,Lin Q 2010 Acta Phys.Sin.59 877(in Chinese)[李曙光,周翔,曹晓超,盛继腾,徐云飞,王兆英,林强2010物理学报59 877][15]Gu Y,Shi R Y,Wang Y H 2014 Acta Phys.Sin.63 110701(in Chinese)[顾源,石荣晔,王延辉2014物理学报63 110701][16]D ing Z C,Li Y Y,Wang Z G,Yang K Y,Yuan J 2015 sers 42 0408003(in Chinese)[丁志超,李莹颖,汪之国,杨开勇,袁杰2015中国激光42 0408003][17]Wang Z G,Luo H,Fan Z F,Xie Y P 2016 Acta Phys.Sin.65 210702(in Chinese)[汪之国,罗晖,樊振方,谢元平2016物理学报65 210702][18]Dong H B,Zhang C D 2010 Chin.J.Eng.Geophys.7 460(in Chinese)[董浩斌,张昌达2010工程地球物理学报7 460][19]Wang Y Q,Wang Q J,Fu J S,Dong T Q 1986 The Theory of FrequencyStandards(Beijing:Science Press)pp168–173(in Chinese)[王义遒,王庆吉,傅济时,董太乾1986量子频标原理 (北京:科学出版社)第168—173页][20]Ek lund E J 2008 Ph.D.D issertation(USA:University of California Irvine)PACS:07.55.Ge,32.60.+i,32.80.Xx,42.50.Gy DOI:10.7498/aps.66.160701†Corresponding author.E-Mail:*******************。
铷原子钟精度
铷原子钟精度铷原子钟是一种高精度的时间计量器，它利用铷原子的电子能级跃迁频率来实现精确的时间计量。
铷原子钟的精度高达每秒钟误差不超过1纳秒，是目前最精确的时间计量器之一。
本文将从铷原子钟的原理、应用、发展历程等方面进行探讨。
一、铷原子钟的原理铷原子钟是基于铷原子的电子能级跃迁频率来实现时间计量的。
铷原子有两个同位素，铷-85和铷-87，其中铷-87的自旋角动量为1/2，是应用于原子钟中的同位素。
铷原子的基态电子结构为2S1/2，当受到电磁辐射的作用时，电子会发生能级跃迁，从基态跃迁到激发态。
铷原子的两个激发态分别为2P1/2和2P3/2，它们的能级差为9.192631770 GHz。
铷原子钟的基本原理是利用铷原子的电子能级跃迁频率来实现时间计量。
原子钟中的铷原子通过激光束的辐射，将铷原子的基态电子激发到激发态，然后通过微波辐射使铷原子的电子从激发态退回到基态。
当铷原子的电子回到基态时，会发射出微波信号，这个微波信号的频率就是铷原子的电子能级跃迁频率。
原子钟中的计时器利用这个微波信号来计量时间，从而实现高精度的时间计量。
二、铷原子钟的应用铷原子钟在现代科技中有着广泛的应用，主要用于卫星导航、通信、地球物理探测、天文观测、科学实验等领域。
以下是铷原子钟的几个主要应用：1.卫星导航卫星导航系统是铷原子钟的主要应用之一。
全球卫星定位系统（GPS）是一种基于卫星导航的定位系统，它需要高精度的时间计量器来实现卫星与地面接收器之间的时间同步。
铷原子钟作为GPS卫星中的计时器，可以提供高精度的时间同步，从而实现准确的定位。
2.通信铷原子钟也被用于通信领域。
在通信中，高精度的时间同步对于信号的传输和接收至关重要。
铷原子钟可以提供高精度的时间同步，从而实现更加可靠和高效的通信。
3.地球物理探测地球物理探测是铷原子钟的另一个应用领域。
铷原子钟可以用于地球物理探测中的时间测量，例如用于测量地震的发生时间和地球自转的周期等。
agilent 铷原子 频率标准
agilent 铷原子频率标准安捷伦铷原子频率标准是一种高性能的频率参考设备，具有高稳定性、高精度和高可靠性，被广泛应用于电信、雷达、无线通信、电子测量和导航等领域。
一、安捷伦铷原子频率标准概述安捷伦铷原子频率标准是一种基于铷原子能级跃迁的频率参考设备，具有高精度和高稳定性。
它利用铷原子能级跃迁的频率作为参考，通过锁相环技术将外部信号与参考频率进行同步，实现高精度的频率测量和校准。
二、安捷伦铷原子频率标准的特点1.高稳定性：铷原子频率标准的稳定性极高，可以在长时间内保持稳定的输出频率，有效避免了因温度、湿度和气压等因素引起的频率漂移。
2.高精度：铷原子频率标准的精度非常高，可以达到纳秒级别，因此被广泛应用于高精度的频率测量和校准。
3.高可靠性：铷原子频率标准具有高可靠性和低故障率的特点，可以在恶劣的环境条件下稳定工作，确保了测量和校准的可靠性。
4.易于操作：铷原子频率标准的操作简单方便，用户可以通过面板或计算机接口进行参数设置和数据读取，大大降低了使用难度。
5.宽频带：铷原子频率标准具有宽频带的特点，可以覆盖从低频到高频的广泛频带范围，适用于各种不同的应用场景。
6.多种输出接口：铷原子频率标准具有多种输出接口，可以满足不同用户的需求，如RF接口、TTL电平接口、RS232接口等。
7.远程控制：铷原子频率标准支持远程控制，用户可以通过计算机或网络进行远程操作，方便对设备进行远程管理和控制。
8.完善的售后服务：安捷伦作为知名品牌，拥有完善的售后服务体系，为用户提供及时、有效的售后服务保障。
三、安捷伦铷原子频率标准的适用范围1.电信：在电信领域中，铷原子频率标准被广泛应用于传输网络中的时间同步和频率同步系统，为网络提供了高精度的时间和频率基准。
2.雷达：在雷达系统中，铷原子频率标准作为高精度的时间和频率参考源，可以提高雷达的测量精度和抗干扰能力。
3.无线通信：在无线通信领域中，铷原子频率标准为基站和终端设备提供了高精度的频率参考，确保了通信的稳定性和可靠性。
磁力仪简介
磁力仪简介北京地质仪器厂吴天彪磁学测量仪器，从测量的参数、测量的范围和用途来看，均极为广泛和复杂，本文仅限于介绍用于地磁学研究、磁法矿产资源勘探、环境地球物理学等方面的弱磁场（≤1×10-4 特斯拉）磁感应强度的测量仪器，通称为“磁力仪”。
1 磁力仪的分类及应用目前，常用于弱磁场、特别是地球磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁传感器的工作原理上看，大致可分为三大类[1]，即：（1）基于电磁感应原理的磁通门磁力仪。
（2）基于核磁共振（NMR）原理的质子磁力仪、基于电子自旋共振（ESR）的光泵磁力仪和基于NMR与ESR的欧佛豪森（Overhauser）质子磁力仪（OVM）的共振磁力仪。
（3）基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。
根据传感器的特点，所有共振磁力仪只能测定地磁场的总场的磁感应强度，称为标量磁力仪，而磁通门磁力仪和超导磁力仪的读数，既反映磁场的强度也反映磁场的方向，称为矢量磁力仪。
从使用广泛性来看，工作量最大的地面磁测，主力仪器是传统的直流激发的质子磁力仪、其次是光泵磁力仪和欧佛豪森质子磁力仪，在一些强磁区，也使用测量垂直分量的磁通门磁力仪。
航空磁测的主力是光泵磁力仪，目前多用4台仪器组成三维梯度系统，用三分量磁通门仪器作姿态改正。
光泵磁力仪也用于装在飞机上探测潜艇。
高温超导磁力仪用于时域电磁法的磁分量观测，低端灵敏度大大优于传统的感应式磁传感器。
在岩石和矿物的磁性测量及古地磁研究中超导磁力仪也得到广发的应用。
磁通门磁梯度仪和光泵梯度仪多用于探测地下未爆物（UXO）、地下管线、考古等。
在航天领域，地面地磁台站中，三分量的磁通门磁力仪和质子磁力仪得到广泛应用。
磁力仪测定的物理量是磁感应强度，其SI制计量单位是“特斯拉”（Tesla）。
1 Tesla = 103 mT =106 µT = 109 nT = 1012 pT= 1015 f T最常用的单位是nT （纳特）CGSM制的计量单位是“高斯”（Gs），1 T= 10,000 Gs从全球地磁图[2]（图1）可以看出：赤道附近地磁场的磁感应强度约为20,000~30,000nT两极附近地磁场的磁感应强度约为600,000~80,000nT图1 全球地磁图2 磁力仪的主要技术指标以观测地磁场为主要目的的磁力仪，各种不同原理的仪器的主要技术指标，不尽相同，但大多数应有测量范围、灵敏度、分辨力、采样率、绝对精度、梯度容限、工作温度范围等。
铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究
铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究李佳佳;丁志超;汪之国;肖光宗;胡绍民【摘要】In order to obtain the optimal pump light intensity of a rubidium atomic magnetometer and improve its sensitivity , the relationships among the polarization , signal to noise ratio , sensitivity of magnetometer and pump light intensity were analyzed . An experimental system was designed .Transverse relaxation time and longitudinal relaxation time of a 20mm diameter spherical vapor cell with different pump light intensity were measured by using free induction decay method .The corresponding polarization data was calculated and the fitting curves of polarization , signal to noise ratio , sensitivity influenced by pump light intensity were received.The results show that the optimal pump light intensity is optimum in the rubidium atomic magnetometer under the pump light intensity of about 10mW/cm2 .It will be helpful for using the pump light effectively and optimizing sensitivity of the rubidium atomic magnetometers further .%为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强，进而优化原子磁力仪的灵敏度，理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系，设计了实验装置。
基于Cs原子磁力仪的高灵敏度磁场方向测量方法
基于Cs原子磁力仪的高灵敏度磁场方向测量方法陈林;黄海超;董海峰【摘要】介绍了自旋调制标量原子磁强计矢量化测试方法,从主磁场幅值和横向磁场的测试灵敏度得到该方法的磁场方向测量灵敏度为0.75μrad/Hz1/2.从磁场方向测量的角度与其他标量原子磁强计矢量化测量方法进行了对比,表明:该方法更简洁,并且能直接给出主磁场方向与磁力线的偏离信号,在地震地磁监测和磁力线寻的制导等领域中具有独特的应用价值.%A measurement method of vectorization for spin modulated scalar magnetometer is introduced. Measurement sensitivity of the magnetic field direction in this way is 0.75μrad/Hz1/2 ,with the results of the experiment in main magnetic field amplitude and the sensitivity of the transverse magnetic field. Compared with other measurement methods of vectorization for scalar magnetometer in the direction of magnetic field,this method is more concise. In addition,it can show the main magnetic field direction and the deviation signal of magnetic lines of force directly,which has an unique application value in geomagnetic monitoring of earthquake and homing guidance of magnetic lines of force and other field.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】4页(P11-13,17)【关键词】磁场方向;原子磁强计;自旋调制;高灵敏度【作者】陈林;黄海超;董海峰【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TP212磁场方向是地磁测量中的重要参数之一[1]。
光泵原子磁力仪原理
光泵原子磁力仪原理答案：光泵原子磁力仪的原理基于铯原子的超精细结构能级在外部磁场的作用下出现的塞曼分裂现象。
当外部磁场B存在时，铯原子能级会分裂，分裂的大小与磁感应强度成比例。
通过精确测定塞曼子能级间的频率，可以计算出外部磁场的大小。
具体实现过程中，无极铯光谱灯发出的光经过圆极化后，通过充有合适缓冲气体的铯气室，实现铯原子的光抽运，即原子全部聚集在某一个塞曼子能级上。
平衡后，铯原子不再吸收光子，光电二极管接收到的是稳定的光强值。
之后，调节铯气室周围的射频线圈中的射频场频率，当射频场RF频率为fL恰好等于塞曼子能级之间的跃迁频率时，引起铯原子在塞曼子能级间的跃迁，铯原子将继续吸收光子，导致光电二极管接收到的光强变小，即获得了塞曼跃迁谱线。
利用锁频装置（包括扫频式和自激式），可以实现系统的闭环锁定，利用频率计测量拉莫尔频率fL，再通过关系式γB=fL 即可求出磁场值。
光泵原子磁力仪是一种高灵敏度的磁场探测量子技术，利用光与原子相互作用实现对磁场的高灵敏度测量。
它利用特定的光束照射某些元素（如铷或氦的样品），在加热或放电激发的条件下，相当大一部分原子磁矩将相对于外磁场作一定方向的有序排列，即原子吸收光的能量由低能级提到高能级。
这种技术的基础是光泵作用和磁共振技术，由于采用磁共振的元素不同，光泵磁力仪分为氦磁力仪和碱金属磁力仪；按采用的电路不同可分为自激式磁力仪和跟踪式磁力仪。
延伸：一、光泵磁力仪的原理及应用光泵磁力仪是一种精确测量磁场的仪器，其原理是利用光泵浦技术将样品中的原子或分子激发到高能级，再通过探测技术来测量磁场的强度和方向。
它广泛应用于物理学、化学、材料科学等领域中的磁场研究和应用中。
二、为什么不能进行单分量的测量光泵磁力仪测量的磁场是由多个分量组成的，因此不能进行单分量的测量。
这是因为，磁场分量中的自由度并不是独立的，如果只测量其中一个分量，就无法得出整个磁场的准确信息。
三、多分量磁场测量方法针对光泵磁力仪不能进行单分量测量的问题，科学家们提出了多分量磁场测量方法。
矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制
矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制
陈大勇;史彦超;崔敬忠;刘志栋;缪培贤
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2022(30)7
【摘要】阐述了利用抽运-检测型原子磁力仪研制的磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理、系统组成以及对旋转磁场的技术要求,根据该矢量原子磁力仪对旋转磁场的技术要求,提出了一种高性能旋转磁场产生装置。
该装置通过DDS相位同步技术实现了正弦信号间相位差的补偿和精密调控,相位调控精度的理论设计值为0.022°;建立相应的电路模型,通过仿真分析以及电路模块间相互耦合关系的研究,完成了基于多模块间协同控制的电流调整模块设计,实现了线圈驱动电路电流的精密控制和调整。
当旋转磁场强度为500 nT时,对应的磁场强度调整精度优于5 nT。
以上设计使旋转磁场产生装置具备了旋转磁场强度、轨迹以及方向精密控制和调整的功能,经测试该装置的各项技术指标完全满足矢量原子磁力仪的技术要求,为矢量原子磁力仪研制以及技术研究奠定了技术基础。
该旋转磁场产生装置在冶金、生物科学以及相关基础物理研究中也有重要的应用价值。
【总页数】13页(P780-792)
【作者】陈大勇;史彦超;崔敬忠;刘志栋;缪培贤
【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN99;TH744
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在开磁路中利用抽运-检测型铷原子磁力仪测量软磁材料的矫顽力
在开磁路中利用抽运-检测型铷原子磁力仪测量软磁材料的矫
顽力
缪培贤;王涛;史彦超;高存绪;蔡志伟;柴国志;陈大勇;王建波
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2022(71)24
【摘要】报道了在开磁路中利用抽运-检测型铷原子磁力仪测量软磁材料矫顽力的实验装置和方法.磁屏蔽筒中的本底磁场、磁化线圈和软磁样品在铷泡空间位置产生的磁场均平行于磁屏蔽筒的轴线方向;扫描磁化线圈中的电流实现软磁样品的磁化和退磁,用抽运-检测型铷原子磁力仪分别在磁化线圈中有样品和无样品的条件下测量铷泡空间位置处的磁场;在相等电流值条件下,用有样品测得的磁场值减去无样品测得的磁场值,获得软磁样品在铷泡空间位置产生的磁场,用软磁样品在铷泡位置处产生磁场为零来判定其磁化强度由饱和值减小到零的条件,用磁滞回线计算出样品的平均矫顽力.采用本文提出的测量装置和方法测量带状坡莫合金软磁样品的矫顽力,10次测量的平均值为40.63 A/m,矫顽力测量再现性以相对标准偏差表示为0.16%,该方法具有无零点漂移、复现性好、测量速度快、原位测量等优点.
【总页数】10页(P213-222)
【作者】缪培贤;王涛;史彦超;高存绪;蔡志伟;柴国志;陈大勇;王建波
【作者单位】兰州空间技术物理研究所;兰州大学
【正文语种】中文
【中图分类】G63
【相关文献】
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xl500铷钟频率标准
XL500铷钟频率标准是一款高性能的铷原子钟，具有高稳定性、高精度等特点。
它主要应用于通信、导航、时间同步等领域。
下面简要介绍XL500铷钟频率标准的主要特点、应用及技术指标。
特点：
1. 高稳定性：XL500铷钟的频率稳定性优于1x10^-12。
2. 高精度：计时精度可达毫秒级别。
3. 抗干扰能力强：XL500铷钟具有很强的抗电磁干扰和振动性能，适用于恶劣环境。
4. 小型化设计：XL500铷钟体积小、重量轻，便于安装和携带。
5. 易于集成：XL500铷钟提供了丰富的接口，如RS232、GPIO等，便于与其他设备进行集成。
应用领域：
1. 通信系统：XL500铷钟可应用于无线通信、光纤通信等通信系统的时钟源和频率同步。
2. 导航系统：XL500铷钟可为全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）等提供高精度的时间基准。
3. 时间同步：XL500铷钟可作为时间服务器，为各种网络时间同步协议提供高精度的时间信号。
4. 科学研究：XL500铷钟适用于精密测量、实验室建标等科学研究领域。
技术指标：
1. 频率稳定度：优于1x10^-12（0至50℃）
2. 频率偏差：±5x10^-12（25℃时）
3. 日漂移率：±1x10^-10/℃
4. 输出信号：10MHz、5MHz（可选）
5. 电源：AC电源（可选DC电源）
6. 环境适应性：抗振动性能优于50g，抗电磁干扰性能优于10V/m
7. 尺寸：小于1U（2.5英寸）
8. 重量：小于1kg。
铷原子频率标准tr2005c技术指标
铷原子频率标准TR2005C技术指标在现代科技发展日新月异的今天，高精度的时间频率标准已经成为各个领域不可或缺的重要工具。
铷原子频率标准TR2005C作为当前世界上最先进的原子钟之一，其技术指标和性能优势备受关注。
本文将从深度和广度两方面对铷原子频率标准TR2005C进行全面评估，并剖析其在现代科技中的重要地位。
一、铷原子频率标准TR2005C技术指标概述1.频率稳定度铷原子频率标准TR2005C的频率稳定度极高，达到了每秒10的负14次方的水平，这意味着其频率误差仅为每秒几个万亿分之一，可以满足各种高精度时间测量的需求。
2.频率准确度TR2005C的频率准确度非常高，可以稳定地输出特定的频率信号，通常误差在每秒几个十亿分之一以内。
这样的准确度使得其在卫星导航、通信网络以及科学研究领域有着广泛的应用。
3.短期稳定度TR2005C在短时间内的频率稳定度也很突出，可以在毫秒甚至微秒的时间尺度上保持高稳定的频率输出，这对于需要高速数据传输或者实时信号处理的应用至关重要。
4.长期稳定度除了短期稳定度外，TR2005C在长时间尺度上也能够保持出色的频率稳定性，这对于天文观测、卫星定位和导航系统的精准定位以及地震监测等方面具有重要意义。
二、铷原子频率标准TR2005C的应用领域1.卫星导航高精度的时间频率标准是卫星导航系统的核心，而TR2005C凭借其卓越的频率稳定度和准确度，成为了众多卫星导航系统的首选时钟设备，为全球定位系统（GPS）、北斗导航系统等提供了可靠的时间基准。
2.通信网络在高速通信网络中，精准的时间同步对于数据传输和网络安全至关重要。
TR2005C作为高稳定频率标准的代表，被广泛应用于各种通信基站的时间同步系统，保障了通信网络的高效运行。
3.科学研究在科学实验和研究中，时间频率的精准度直接影响着实验数据的准确性和科学结论的可靠性。
TR2005C在科学研究领域有着广泛的应用，为实验数据的采集和分析提供了可靠的时间基准。
原子磁力计种类
原子磁力计种类1. 哎呀，原子磁力计的种类可不少呢！首先得说说光泵原子磁力计。
这就好比是一个超级灵敏的眼睛，专门盯着磁力的一举一动。
我有个朋友做地质勘探的，他就用这个光泵原子磁力计找矿呢。
那些隐藏在地下的矿产，就像是调皮的小妖怪，可这磁力计就像孙悟空的火眼金睛，一下子就能发现它们周围磁场的异常。
2. 还有一种叫SERF原子磁力计。
这东西可神啦！就像是一个超级侦探，在磁场的世界里探寻着秘密。
我在实验室里见过研究人员用它来检测生物磁场呢。
你想啊，人体的磁场那么微弱，就像一根细细的丝线，可这SERF原子磁力计就能精准地捕捉到，是不是很厉害？3. 哦，对了，原子磁力计里还有M - x型的。
这就像是一个精确的指南针，不过它比普通指南针可厉害多了。
我同学搞航海研究的，他说在大海上有时候普通指南针会受到干扰，但这个M - x型原子磁力计就不一样，不管周围环境多复杂，它都能准确地指出磁场方向，就像一个忠诚的卫士，从不迷失。
4. 超导量子干涉仪（SQUID）原子磁力计也算是原子磁力计家族中的一员大将。
这玩意儿啊，像个超级放大镜，把磁场的微小变化都放大得清清楚楚。
我认识的一个搞物理研究的大叔，他在研究超导材料的时候就靠这个SQUID原子磁力计呢。
那些超导材料的磁场特性就像隐藏在迷雾中的宝藏，这磁力计一下就能让宝藏现形。
5. 碱金属原子磁力计也是很重要的一种。
想象一下，它就像一个细腻的画家，能把磁场的每一个细微之处都描绘出来。
我隔壁的科学家叔叔在研究地球磁场的微小波动时，就用到了碱金属原子磁力计。
地球磁场的波动就像平静湖面上的微微涟漪，碱金属原子磁力计就能把这涟漪清晰地展现出来。
6. 可别忘了铷原子磁力计呀。
它就像是一个魔法小盒子，能把磁场的信息都装在里面。
我听一个做科研的姐姐说，她在研究磁场对细胞的影响时，铷原子磁力计就派上了大用场。
细胞周围的磁场就像一种无形的力量，铷原子磁力计就能揭开这股力量的神秘面纱。
7. 氦原子磁力计也是原子磁力计种类中的佼佼者。
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DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2009.19.030高灵敏度磁力仪作为测量极其微弱磁场的重要工具，不论在生物医学[1～8]、空间与地球物理[9～17]、工业检测[18～22]还是军事方面都有着广泛应用。
目前使用的超高灵敏度磁力仪主要有超导量子干涉器件（SQUID）磁力仪和原子磁力仪[23～26]等。
但是超导量子干涉磁力仪装置复杂、对工作环境要求高。
许多实际应用场合不仅要求磁力仪灵敏度高，而且要求体积小、能耗低、易于携带等。
发达国家对超高灵敏度磁力仪是限制出口的[25]，因此研制拥有自主知识产权的新型高灵敏度磁力仪具有重要的意义。
我们研制的全光学高灵敏度铷（Rb）原子磁力仪装置结构如图1所示。
主体部分由光源、磁传感器探头和光电检测部分组成，其中，光源部分用于产生固定波长的圆偏振激光。
其主要由经过稳频的外腔式半导体激光器（ECDL）和相应的波片（W.P.）组成。
磁传感器探头用于感受待测磁场并将其作用反映于原子对激光光强的吸收变化，其主要由铷原子气室（Rb Cell）、相应的加热器（Oven）和用于调制的横向亥姆霍兹线圈（Coils）组成，其中加热器为原子气室提供合适的工作温度。
光电检测部分用于接收出射激光光强变化并进行分析，其主要由光电二极管（PD）、相应的放大电路和计算机信号采集、处理（PC）模块组成，该装置具有结构简单、灵敏度高和探头功耗低等优点。
原子磁力仪装置的主要工作原理是基于铷原子在磁场中的塞曼效应与光泵浦作用引起对入射探测光吸收的改变。
初始时刻由装置中光源产生的圆偏振光对铷原子能级原子布居数进行选择性地泵浦，而原子受到磁场变化的影响，其布居数也同时发生转移，因而对入射光吸收或透射光强产生变化[27]。
图2描绘了原子对光强的吸收与磁场大小关系的理论与实验曲线，其中实线部分对文/李曙光 周 翔 曹晓超 徐云飞 王兆英 林 强1（浙江大学物理系光学研究所，浙江 杭州 310027）* 国家重点基础研究发展计划（973计划）课题（2006CB921403）、国家自然科学基金(10804097）和浙江省钱江人才计划（2006R10025）的资助。
1 通讯作者：林强，E-mail: qlin@。
图1 实验装置示意图图2 原子吸收光强与磁场关系的曲线高灵敏度铷原子磁力仪＊应理论计算结果，而虚线部分则是使用研制的原子磁力仪装置实际测量的结果。
从该关系曲线图可以看出，在零磁场附近吸收光强最小，随着磁场逐渐增加，原子对光强的吸收也随之增大，因而可以通过测量透射光强得到磁场大小。
将实验测量的曲线与理论曲线对比，发现吻合度很高，验证了理论分析和测量方案的正确性。
在装置中采用了调制与锁相放大技术尽可能地排除了噪声的干扰，提高了灵敏度，实验装置在零磁场附近的工作噪声功率密度谱如图3所示。
这些噪声主要来自光电二极管、放大器等引入的高低频噪声，和外界的一些因素如磁屏蔽装置外环境磁场变化导致对内部磁场的干扰。
该原子磁力仪装置目前灵敏度就已优于0.5pT/Hz1/2，已超越了一些传统的磁力仪。
原子磁力仪原理上灵敏度还有非常大的改进空间，有可能超越SQUID[23,24]，同时装置却没有SQUID复杂。
因此原子磁力仪相对传统磁力仪具有很大的优势和广阔的应用前景。
参考文献[1] Inouchi M, et al. 2008 Brain Research 1232 155.[2] Bison G, Wynands R and Weis A. 2003 Appl. Phys. B: Lasers Opt. 76 325.[3] Livanov M N, et al. 1981 Adv. Cardiol. 28 78.[4] Sternickel K and Braginski A I 2006 Superconductor Science & Technology, 19 S160.[5] Gomez C, et puter Methods and Programs in Biomedicine. 2007, 87, 239.[6] Groeger S, et al.Sensors and Actuators A-Physical. 2006, 129, 1.[7] Anninos P, Adamopoulos A, Kotini A and Tsagas N. The 3rd WSEAS International Conference on Cellular and Molecular Biology[C], Biophysics and Bioengineering 2007, (Athens 26–28 August 2007) 84.[8] Bruno-Marcel Mackert. Clinical Neurophysiology. 2004, 115, 2667.[9] Xu S, et al.Phys. Rev. 2008 A 78 013404.[10] Mende S B, et al.Space Science Reviews 2008, 141, 357.[11] Russell C T, et al. Space Science Reviews 2008, 141, 389.[12] Lepping R P, et al.Space Science Reviews 1995, 71, 207.[13] Turkakin H, Marchand R and Kale Z C. Journal of Geophysical Research-Space Physics. 2008, 113, A11210.[14] Sarma B S P, Verma B K and Satyanarayana S V. Geophysics 1999, 64, 1735.[15] Li Y L, Technological Development of Enterprise, 2008, 27, 34.[16] Johnston M J S, Sasai Y, Egbert G D and Mueller R J. Bull Seism Soc Am, 2006, 96, S206.[17] Johnston M J S, Mueller R J and Sasai Y 1994 Bull Seism Soc Am. 84 792.[18] Carreon H. Wear, 2008, 265, 255.[19] Zivotsky O, et al.Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2008, 320, 1535.[20] Bonavolonta C, Valentino A, Peluso G and BaroneA. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17, 772.[21] Kuroda M, Yamanaka S and Isobe Y NDT & E International 2005, 38, 53.[22] Tralshawala N, Claycomb J R and Miller J H. Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 1573.[23] Allred J C, Lyman R N, Kornack T W and Romalis M V. Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 130801.[24] Kominis I K, Kornack T W, Allred J C and Romalis M V. Nature, 2003, 422, 596[25] Zhang C D. Geophysical & Geochemical Exploration, 2003, 29, 283.[26] Zhang C D, Dong H B. Chinese Journal Of Engineering Geophysics, 2004, 6, 499.[27] Li S G, et al. Chin. Phys. Lett. 2009, 26, 067805.图3 测量噪声功率谱CSTA高灵敏度铷原子磁力仪作者：李曙光， 周翔， 曹晓超， 徐云飞， 王兆英， 林强作者单位：浙江大学物理系光学研究所,浙江,杭州,310027刊名：中国科技成果英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS年，卷(期)：2009,10(19)1.Xu S查看详情 20082.Bruno-Marcel Maekert查看详情 20043.Anninos P;Adamopoulos A;Kotini A;Tsagas N The 3rd WSEAS International Conference on Cellular and Molecular Biology 20074.Groeger S查看详情 20065.Gomez C查看详情 20076.Stemickel K;Braginski A 1查看详情 20067.Livanov MN查看详情 19818.Li S G查看详情 20099.Zhang C D;Dong H B查看详情 200410.Zhang C D查看详情 200311.Kominis I K;Kornaek T W;Allred J C;Romalis M V查看详情 200312.Allred J C;Lyman R N;Kornaek T W;Romalis M V查看详情 200213.Tralshawala N;Claycomb J R;Miller J H查看详情 199714.Kuroda M;Yamanaka S;Isobe Y查看详情 200515.Bonavolonta C;Valentino A;Peluso G;Barone A查看详情 200716.Zivotsky O查看详情 200817.Carreon H查看详情 200818.Johnston M J S;Mueller R J;Sasai Y查看详情 199419.Johnston M J S;Sasai Y;Egbert G D;Mueller R J查看详情 200620.Li Y L查看详情 200821.Sarma B S P;Verma B K;Satyanarayana S V查看详情 199922.Turkakin H;Marchand R;Kale Z C查看详情 200823.Lepping R P查看详情 199524.Russell C T查看详情 200825.Mende S B查看详情 200826.Bison G;Wynands R;Weis A查看详情 200327.Inouchi M查看详情 2008本文链接：/Periodical_zgkjcg200919031.aspx。