Многоквантовые резонансы в приложении к прецизионной магнитометрии

• Автор: Пазгалёв, Анатолий Серафимович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 131 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
■ ( V
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Многоквантовые резонансы в радиоспектроскопии: обзор работ, постановка задачи, качественные оценки
1.1 Обзор работ по многоквантовым резонансам
1.2 Оценка полевого сдвига многоквантовых резонансов в рамках теории ^ возмущений
Выводы
ГЛАВА 2. Расчёт спектра многоквантовых резонансов в Зеемановской структуре щелочных атомов
2.1 Многоквантовые переходы в атоме 39К
2.2 Расчёт спектра многоквантовых переходов в |33Сз
2.3 Расчёт многоквантовых переходов атома 61л
Выводы.................................... ..;
І^ЛАВА 3. Экспериментальное исследование многоквантовых резонансов в калии и цезии
3.1 Наблюдение многоквантовых резонансов в Зеемановской структуре основного состояния 39К
3.2 Спектр многоквантовых переходов в основном состоянии шСз в поле индукцией 500 мкТл. Ламповая накачка
3.3 Многоквантовые резонансы в цезии в поле 700 мкТл. Лазерная накачка
Выводы
ГЛАВА 4. Лабораторный макет однокамерного магнитометра-тандема, использующего четырёхквантовый резонанс в39К
4.1. Обзор магнитометров с оптической накачкой
4.2. Магнитометр на основе четырёхквантового резонанса в калии
1 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Система уравнений для элементов матрицы плотности щелочного атома с ядерным спином /=3/2 (23Ма, 39К,41 К, 87Шэ)..
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Система уравнений для элементов матрицы плотности щелочного атома с ядерным спином /= 1 (6Ьі)
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследо-ванию взаимодействия многоуровневой квантовой системы с электромагнитным полем. При достаточно высокой интенсивности взаимодействия происходят многоквантовые переходы, при этом уровни системы оказываются связанными друг с другом посредством поглощения (испускания) нескольких квантов поля. Традиционно описание многофотонных процессов производится на основе теории возмущений путем разложения волновой функции в ряд по параметру взаимодействия. Однако в экспериментах, описывающих магнитный резонанс в « зе^мановской структуре атомов-щелочей в условиях оптической накачки, такой подход является неоправданно упрощённым.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное изучение динамики многоуровневых атомных систем под действием интенсивного квазирезонансного возмущения. Особое внимание уделяется рассмотрению возможности использования многоквантовых резонансов для измерения модуля магнитного поля. Это предполагает точный количественный расчет формы спектра многоквантовых переходов в магнитной структуре основного состояния атомов щёлочной группы без использования теории возмущения. В задачу исследования также входит оптимизация разрешающей способности многоквантовых резонансов. В работе

представлено экспериментальное исследование многоквантовых резонансов в калии и в це-‘ зии, а также демонстрация рабочих характеристик макета магнитометра, использующего четырёхквантовый резонанс в калии.
Приведём краткое содержание работы.
В первой главе представлен обзор работ, в первую очередь теоретических, посвященных многоквантовым переходам между магнитными уровнями основного состояния щелочных атомов, выполненных к настоящему времени. Особое внимание уделено результатам, полученным с использованием теории возмущения. Во второй части первой главы при-|* водится расчет сдвигов частоты многоквантовых переходов в рамках второго порядка теории возмущений в приближении вращающегося поля. Во второй главе приводится расчёт спектра многоквантовых резонансов в Зеемановской структуре атомов 39К, 133Сэ И б1л без использования теории возмущений. Данный выбор связан с тем, что атомы калия и цезия . представляются наиболее вероятными кандидатами для использования в технике измерения магнитного поля. Атом 1л дает пример самой простой, а атом 133Сз - самой сложной структуры магнитных уровней среди щелочных атомов.

5 = 2>цГ*- (2.15)

Для вычисления сигнала достаточно найти населённости )ц= ркк в функции от частоты переменного поля/ в заданных условиях оптической накачки.
Задача формализована в виде системы линейных уравнений для расчёта на персональном компьютере. Вычисляется зависимость сигнала 5 (/) от' частоты переменного поля /в магнитном поле Н индукцией 50 мкТл для вакуумной ячейки при накачке светом газоразрядной лампы, вызывающим переходы тр —<• тр + 1. Собственная (темновая) ширина резонанса выбрана равной Го = — 7у'=1 Гц, что соответствует — ,т
постоянной времени поперечной релаксации 7%, наблюдаемой в калиевых ячейках размером около 50-60 мм [58,59]. В расчёте принято условие равенства времён продольной Г/ и поперечной 7Урелаксации. Распределение магнитного поля по объему ячейки принято однородным.
Интенсивность света 1Р задается так, чтобы световое уширение Г к уровней Р=2, тр= -2, -1, 0, +1, +2 составляло 4, 3, 2, 1, 0 Гц (см. табл.2.2). При этом, сильнейший одноквантовый резонанс тр=+1—» тр=+2 уширен полуторакратно, т.е. оптимально с точки зрения его разрешающей способности, определённой ниже. Зависимость сигнала 5(/) вычислена при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля и приведена на рис.2.4.
Спектры формируются, главным образом, переходами в системе подуровней состояния Р =2, можно усмотреть лишь слабые следы резонанса в состоянии Р =1. Спектр, отвечающий частоте Раби £ =1 Гц (график 1), наблюдается при достаточно слабом переменном магнитном поле Н, когда полевое уширение резонансов много меньше разности частот соседних переходов. При этих условиях система взаимодействует с полем Н как набор независимых двухуровневых систем, и спектр состоит из четырёх изолированных линий. С ростом амплитуды переменного поля Н помимо нарастающего полевого уширения резонансов происходит смещение максимумов и появление дополнительных пиков двухквантовых резонансов, располагающихся примерно посередине между соседними одноквантовыми резонансами.