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。

基于激光冷却技术,理论研究了冷却光参数对镱原子永磁体塞曼减速器的影响。通过对冷却光的光强、有效系数进行计算分析,得到永磁体塞曼减速器的最佳长度。研究永磁体塞曼减速器磁场分布对冷却光偏振和失谐量的依赖关系,发现将塞曼捕获速度设为310 m/s时,若采用失谐量为-400 MHz的σ-光,永磁体塞曼减速器的磁场幅值可较小,此时原子在塞曼减速器末端更容易脱离共振减速过程。根据优化后的冷却光参数,本文结合磁偶极子模型,提出了适用于冷镱原子光晶格钟的横向磁场永磁体塞曼减速器,为星载钟以及可搬运光钟的发展奠定基础。

磁悬浮热解石墨片的光驱转动提供了一种光能向动能转换的途径,对该现象的研究在能量转换领域中具有重要意义。使用等效磁荷法计算永磁体磁场的空间分布,接着对热解石墨片的受力、扭矩及势能分布进行了理论计算。基于此,对圆形热解石墨片在嵌套的圆柱形永磁体上的光驱转动现象进行计算分析和解释。研究发现,当嵌套的圆柱形永磁体严格同轴时,圆形热解石墨片在激光照射下不会发生光驱转动现象。但嵌套的永磁体在装配时不可避免地会产生一定的偏心量,导致磁场分布不对称,使得圆形热解石墨片的扭矩随着激光照射点呈周期性变化,因此产生了光驱转动现象。

从永磁体的长径比、气隙磁场均匀性等参数出发, 采用理论计算和仿真分析, 对采用钐钴永磁体(Sm2Co17)的石英挠性加速度计磁路进行了设计。在降低永磁体和磁帽高度比的基础上, 对两种高度比的磁路气隙磁场均匀性进行了测量, 并对优化前后的石英挠性加速度计的标度因数进行了1个月的重复性测试。测试结果表明, 优化后的力矩器磁路既能获得较均匀的气隙磁场, 也能保持较好的长期性能。

本文聚焦于小体积、低能耗和高减速效率的Zeeman减速器的研制，首先在12组通电线圈磁场的基础上制作了环状永磁体，但是测得永磁体在MOT腔中心位置剩余磁场仍有27Gauss，严重影响锶原子的一级冷却与俘获。针对这一问题我们研制了长度为10 cm的小型线圈减速器，同时为减少线圈发热进一步提出对称磁场理论。用小型减速器装配物理系统后，我们对锶原子束的速度分布曲线进行探测与分析，可知锶原子束的最概然速度由460 m/s减小至75 m/s，减速后的原子在磁光阱中被进一步冷却，实现了锶原子的一级冷却与俘获，通过荧光收集法测出俘获原子数目为2×106，在加入679 nm和707 nm反抽运光后，俘获原子数目提升了约7倍。

基于激光冷却与囚禁原理的原子阱痕量分析技术, 可以对氪的放射性同位素进行高灵敏度检测, 在地球物理与环境科学领域具有广泛应用。塞曼减速器可用于产生连续低速的原子束流, 是原子阱痕量分析系统中的关键部件之一。采用永磁体设计的塞曼减速器组装和调试方便, 磁场强度稳定, 且不需要恒流电源和冷却装置, 因此获得了越来越多的关注和研究。文中基于环形永磁体设计了一种用于氪原子的塞曼减速器, 通过有限元分析得到了减速器磁场的空间分布, 根据设计参数制造了环形永磁体塞曼减速器, 测量了轴线上的磁场分布。减速器长度51.2 cm, 有效减速区域长度46.9 cm, 实测磁场与理论减速磁场最大偏差小于3.6 G, 平均偏差1.3 G。进一步模拟了原子束流在设计磁场和实测磁场下的减速过程, 并分析了磁场的径向变化对于原子束流减速的影响规律, 结果表明: 当原子束流直径小于20 mm时, 该塞曼减速器可将初速度最大为250 m/s的氪原子减速至50 m/s。

提出了四波长激光多管喷粉准六自由度数控运动的激光增材新结构方法,分析了整体系统结构的线性空间与李子群函数,建立了系统的线性空间数学模型。采用多管喷粉机构喷涂定量Nd-Fe-B稀土永磁体成分,并利用闭环反馈控制四个激光束的功率与角度,进行了选择性与指向性激光辐照,实现了异形永磁件的激光增材成型,成型精度达20 μm,最小宽度低于80 μm,磁能积达474 kJ·m 3。

针对常规弹药脉冲激光周向探测系统无法精确获取目标方位信息的问题, 设计了基于磁电检测的单光束激光引信全向方位角探测方案.对磁电检测系统进行建模, 建立圆柱形永磁体转动磁场模型, 推导出磁阻传感器所测位置磁场的解析式, 验证所测磁场为一正弦磁场信号.依据此正弦信号, 设计了上升沿阈值周期检测算法, 并运用FPGA与TDC-GP21对激光回波出现时间与电机转速信号周期进行高准确度时间间隔测量实现方位角的解算.依据方案设计原理样机并编写上位机程序, 进行方位角探测实验.实验结果表明: 磁电检测系统采用多重屏蔽方法, 能有效抑制电磁干扰; 并能实时监测电机转速, 实现方位角解算, 方位角解算误差在±2°以内.满足激光引信方位角测量的高准确度、抗干扰能力强等要求.

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m／s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m／s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。

报道了用于高功率相对论返波管振荡器的永磁体的设计和试制。以Halbach阵列结构为基础,通过选择高性能的永磁材料,调整磁钢的充磁方向、排列方式和尺寸,优化设计了可用于某相对论返波管振荡器的永磁体结构,其均匀区磁场强度0.98 T。采用粒子模拟方法,进行了永磁体与返波管振荡器的一体化设计,设计结果表明：器件输出功率超过1 GW,设计的永磁体能够满足器件对磁场强度和位形的要求。对永磁体进行了试制和测试,测试结果为：均匀区磁场0.88 T,均匀区长110 mm,磁体重量约306 kg。