Новые квантовые радиооптические системы и методы измерения слабых магнитных полей - Автореферат

В области геофизики мониторинг магнитного поля Земли (МПЗ), постоянно осуществляемый несколькими международными сетями обсерваторий, является основным источником знаний как о внутреннем строении Земли и происходящих в ней процессах, так и о процессах взаимодействия солнечного излучения с атмосферой и магнитосферой Земли. Высокие требования, предъявляемые к точности и чувствительности методов магнитных измерений, как правило, определяются тем фактом, что магнитные поля исследуемых или искомых объектов должны измеряться на фоне магнитного поля Земли, зачастую превосходящего их на пять и более порядков величины. Разработка физических принципов, позволяющих создать новые прецизионные средства измерения магнитного поля и тем самым повысить уровень точности квантовой магнитометрии, является задачей первостепенной важности. В настоящей работе исследованы существующие и предложены новые физические радиоспектроскопические методы, позволяющие осуществить измерения модуля вектора индукции магнитных полей земного диапазона с чувствительностью (разрешающей способностью) 10-13 ? 10-15 Тл при точности 10-10 ? 10-11 Тл, и измерение компонент вектора индукции с чувствительностью 10-11 Тл при характерных временах измерения 0.1 с. Основной целью работы было создание новых и развитие существующих систем и способов измерения модуля и компонент вектора индукции слабых магнитных полей, основанных на таких методах радиооптической спектроскопии, как оптическая накачка и двойной радиооптический резонанс.ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена оптимизации параметров магнитного резонанса и достижению предельной чувствительности измерения индукции магнитного поля схемой Мх-магнитометра [, ], а также исследованию фундаментальных ограничения на точность магнитометрических измерений, проводимых с помощью квантовых устройств с оптической накачкой. В разделе 2.1 описана теоретическая модель Мх-резонанса в вакуумной ячейке, позволяющая провести многофакторную оптимизацию фактора качества Мх-резонанса в основном состоянии щелочных металлов в условиях оптической накачки [, ] и детектирования [] с учетом всех основных факторов, определяющих ширину линии резонанса, а именно: спин-обменных процессов, уширения радиочастотным полем, релаксации при столкновениях со стенками ячейки; релаксации, индуцированной светом накачки. В данной работе оптимизация режимов магнитного радиооптического резонанса в схеме Мх-дискриминатора осуществлялась с одновременным учетом спин-обменного и светового уширения резонансной линии, а также поглощения в оптически плотной ячейке в предположении об эффективном осреднении интенсивности света накачки по объему ячейки; получено выражение для фактора качества магнитного резонанса Q (Рис.1): (1) K-коэффициент, характеризующий эффективность накачки и детектирования Мх-резонанса: , ? - интеграл перекрытия спектров линий накачки и поглощения, kdet - квантовый выход фотоприемника, kpump - эффективность оптической накачки, kread - эффективность «считывания» сигнала Mx-резонанса светом, - средняя скорость атомов, sex - сечение спин-обменного процесса, V - объем цилиндрической или сферической ячейки, x - оптическая толщина ячейки, ? - коэффициент, характеризующий свойства ячейки: ? = (?coll/?0)/x, I - безразмерное уширение светом накачки: ?light/(?0 ?coll) Использованный нами метод, однако, подразумевает, что шум КМОН всецело определяется дробовыми шумами света, иначе говоря, 1) спектральная плотность шума внутри резонансной линии не отличаются от плотности шума вне ее, т. е. атомные флуктуации малы по сравнению с дробовыми шумами, и 2) шумы в петле обратной связи, включающей в себя Mx-резонанс, могут быть подавлены до того же уровня дробовых шумов света.