为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明: 两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素。从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统。为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT。优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10 ^-16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10 ^-19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10 ^-17。

磁场作为磁性物质的基本特性之一,备受人们关注,在**、医疗、工业等领域都有着广泛的应用。对高灵敏度微型光学原子磁力仪的基本原理、发展进程和应用前景进行了梳理。阐述了微型光学原子磁力仪的工作机理及系统组成,论述了原子气室制作方法及优化方法、原子气室加热方法、磁场信号检测等关键技术的发展历程,对高灵敏度微型光学原子磁力仪的最新研究进展进行综述,并对微型光学原子磁力仪的应用前景进行了展望。

转轴的圆跳动对机床的加工性能具有重要影 响。为了满足实时在线的高精度测量需求, 提出了一种新颖高效 的轴跳动激光相干测量技术。该技术采用稳定可靠的基于塞曼效应的He-Ne激光器作为 光源, 具有灵敏度高、输出信噪比高、精 度高、探测目标作用距离远等优点。另外, 通过光纤传输, 其测量 灵活性和抗干扰性得到了进一步提高, 可以满足实时在线的远距离测量需求。实验 结果表明, 该系统的测量不确定度小于0.1%。

为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的离子加速效果, 探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量。 实验中采用Ar作为螺旋波等离子体源工质, 中心波长为611.662 nm的激光以轴向方式注入等离子体, 以激励一价Ar离子获得波长为461.086 nm的诱导荧光光谱。 为了消除磁化等离子体中逆塞曼效应对激光诱导荧光光谱带来的分裂影响, 通过四分之一波片将入射激光分别调制为左旋和右旋圆偏振态, 并对其诱导光谱进行了分别测量, 结果发现不同磁场强度下两次测量结果的偏移值与理论高度吻合, 证明了双向偏振态激光诱导荧光测量方法的理论可行性。 进一步, 采用高斯型滤波器反卷积算法从测量光谱中去除自然展宽和能量饱和效应, 再通过对两次相反偏振态测量结果进行平移处理消除逆塞曼效应, 从而分离得到实际的多普勒效应。 测量了射频能量600 W, 不同轴向位置、 磁场大小以及气体压力下的螺旋波Ar等离子体激光诱导荧光光谱, 结果表明在该实验条件下离子并没有因双电层效应而达到期望值的加速效果, 离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致, 并不能产生好的推力性能。

利用横向塞曼效应技术对烟气中的二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)等干扰气体进行背景校正。采用基于塞曼效应的汞监测系统测量得到烟气经过湿法脱硫(WFGD)处理系统前后烟气中元素汞(Hg0)的平均质量浓度分别为0.36 μg·m-3和11.08 μg·m-3, 脱硫系统处理后烟气中Hg0浓度显著升高。经分析, 烟气中约99%的SO2被脱硫浆液吸收, 生成足量亚硫酸盐, 亚硫酸盐与Hg2+发生还原反应释放出Hg0；浆液pH值的变化加速Hg2+还原反应并释放Hg0。利用WFGD系统协同脱汞可能导致烟气Hg0排放浓度升高。Hg0排放浓度与烟气中其他成分的浓度均具有一定的相关性, 这与理论分析一致, 表明横向塞曼原子吸收法可以有效去除SO2、NOx等气体的干扰, 验证了应用横向塞曼原子吸收法检测烟气汞含量的准确性与可行性。

为了解决燃煤烟气汞监测困难的问题, 搭建了基于横向塞曼效应的烟气汞在线监测系统。当自然汞灯光源处于磁感应强度为1.5 T强磁场中时, 塞曼效应使得253.65 nm共振吸收线分裂为π和σ±线偏振光。利用汞原子吸收π线偏振光但不吸收σ±线偏振光的特性, 可实现对干扰气体和颗粒物等干扰背景的精确校正, 系统的探测下限为66.3 ng/m3。当烟气中二氧化氮气体的体积分数不高于5.09×10-4、二氧化硫的体积分数不高于1.83×10-4时, 系统的汞检测不受影响。对燃煤电厂的烟气汞排放进行了连续8 d的监测, 得到烟气汞的平均质量浓度为8.3 μg/m3, 质量浓度最大值为19.4 μg/m3, 均低于国家标准的规定值。实验结果表明, 烟气汞在线监测系统可对烟气中的干扰气体以及颗粒物等进行精确背景校正, 实现烟气汞的准确测量, 满足复杂烟气环境下对汞的长期在线监测。

分析了二向色性原子蒸气激光频率锁定(dichroic atomic vapor laser lock,DAVLL)技术稳定激光器频率的原理,并采用DFB894.6 nm半导体激光器和Cs原子气室搭建稳频实验装置。实验测量了不同磁场条件下的DAVLL光谱,发现Cs原子D1线的DAVLL光谱零值点处的斜率随磁场强度增加而增大,但谱线零点斜率不随磁场变化。根据半导体激光器锁频原理设计制作了驱动电路,测试结果表明,该稳频装置的短时频率稳定度达16 MHz。

实现了利用铯原子圆二向色性激光稳频(DAVLL)技术保证频率的非共振锁定并连续可调。介绍了DAVLL技术用于稳定激光频率的基本原理，指出由于Cs原子复杂的能级结构，导致简单的DAVLL技术此处不再适用，并且发现稳频曲线的零点与磁场强度的大小有关；利用饱和吸收光谱测量磁场对DAVLL谱线鉴频零点的影响，发现激光频率在以Fg=4→Fe=5跃迁红失谐105 MHz为中心50 MHz范围内线性可调，频率稳定度可达3 MHz。