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1、哈尔滨工程大学 硕士学位论文 数字化铷光泵磁力仪的设计 姓名：杨月芳 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：康崇 2012-03 数字化铷光泵磁力仪的设计 h 捅斐 碱金属光泵磁力仪是以元素周期表中的第一主族碱金属元素在外磁场中产生塞曼 分裂为工作原理，并利用原子的光泵浦作用和光磁共振技术研制而成的一种高灵敏度的 弱磁场测量仪器。继续提高光泵磁力仪的灵敏度、稳定性和测量效率是未来光泵磁力仪 研究和发展的趋势。光泵磁力仪的系统组成分为两部分，一是传感器探头部分，二是信 号处理控制部分。一方面通过是优化探头设计、另一方面通过改善信号处理控制电路这 两个环节可以提高光泵磁力仪灵敏度、稳定性和
2、测量效率。 首先分析了铷原子的精细能级结构及在外磁场中产生塞曼能级分裂的条件。在此基 础上研究了铷光泵磁力仪的光抽运效应及光磁共振现象，得出了铷光泵磁力仪吸收室中 8 7 R b 原子的原子密度与投射光强的函数关系满足负指数变化趋势的结论。随后深入研究 了调制信号对谱线的影响，推导了调制参数对吸收谱线影响的关系，得出影响谱线的调 制信号因子，提出了选择最佳调制参数的方法。 优化设计了自动跟踪式铷光泵磁力仪的信号处理电路，在调频法中把原来的射频振 荡器改成摆频振荡器，以1 K H z 的信号进行调制。全新设计了系统的控制电路，主控芯 片采用T I 公司的5 5 0 9 A D S P ，利用并行
3、1 2 b i t 的A D 7 8 6 2 采集铷光泵磁力仪输出信号和 参考调制信号( 双通道信号) ，利用两片可编程的高精度A D 9 8 3 3 分别产生加载的射频 线圈信号和调制的载波信号。为了快速跟踪和锁定光磁共振频率，采用专门设计的闭环 锁相控制检测算法，设计了系统的电路调试部分及D S P 的编程部分，编写的算法下载 到D S P 系统中，进行了系统的整体调试，验证了系统设计的可行性。这些研究内容对 于改善铷光泵磁力仪灵敏度、稳定性和工作效率具有一定的参考意义。 关键字：光泵磁力仪；光磁共振；锁相环；信号调制； 一 数字化铷光泵磁力仪的设计 A b s t r a c t A l
4、 k a l i - m e t a lo p t i c a lp u m p e dm a g n e t o m e t e ri sb a s e do nt h ef i r s tm a i ng r o u pi nt h e p e r i o d i ct a b l ea l k a l im e t a le l e m e n t ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei si nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d p r o d u c e sZ e e m a ns p l i
5、t t i n ga n du s i n go fo p t i c a lp u m p i n go fa t o m st h er o l eo fm a g n e t i c r e s o n a n c ea n do p t i c a lt e c h n o l o g y I ti s ah i g hs e n s i t i v i t yo ft h ew e a km a g n e t i cf i e l d m e a s u r i n gi n s t r u m e n t C o n t i n u et oi m p r o v et h eo
6、 p t i c a lp u m p i n gm a g n e t o m e t e rs e n s i t i v i t y , s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yi sm e a s u r e do p t i c a l l yp u m p e dm a g n e t o m e t e rf u t u r er e s e a I ha n d d e v e l o p m e n tt r e n d s O p t i c a l l yp u m p e dm a g n e t o m e t e rs y
7、s t e mc o m p o n e n t sa r ed i v i d e di n t o t w op a r t s ，o n ep a r ti st h es e n s o rp r o b e ，t h es e c o n di sas i g n a lp r o c e s s i n gc o n t r o ls e c t i o n O n t h eo n eh a n dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fp r o b ed e s i g n ，t h eo t h e rb yi m p r o
8、 v i n gt h e s i g n a l p r o c e s s i n g c o n t r o lc i r c u i to ft h e s et w o a s p e c t s c a n i m p r o v e t h e o p t i c a lp u m p i n g m a g n e t o m e t e rs e n s i t i v i t y , s t a b i l i t y , a n dm e a s u r e m e n to f e f f i c i e n c y F i r s ta n a l y s i so
9、ft h er u b i d i u ma t o m i cf i n es t r u c t u r ea n dt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dl e v e l s g e n e r a t e di nZ e e m a ne n e r g ys p l i t t i n go ft h ec o n d i t i o n s I nt h i ss t u d y , b a s e do no p t i c a l l y p u m p e dr u b i d i u mo p t i c a lp u m
10、 p i n gm a g n e t o m e t e ra n do p t i c a le f f e c t so fm a g n e t i cr e s o n a n c e p h e n o m e n o n ，o b t a i n e do p t i c a l l yp u m p e dr u b i d i u ma t o m i cm a g n e t o m e t e ra t o m i ca b s o r p t i o n c h a m b e ra n dt h ep r o j e c t i o nd e n s i t yf u
11、 n c t i o no fl i g h ti n t e n s i t yt om e e tt h et r e n do f n e g a t i v e i n d e xc o n c l u s i o n s S u b s e q u e n ti n d e p t h s t u d yo ft h em o d u l a t i o ns i g n a lo nt h el i n eo f i n f l u e n c e ，d e r i v e dm o d u l a t i o np a r a m e t e r so nt h ea b s o
12、 r p t i o nl i n e sa f f e c tt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed e r i v e df a c t o r sa f f e c tt h es p e c t r u mo ft h em o d u l a t e ds i g n a li sp r o p o s e dt os e l e c t t h eb e s tm o d u l a t i o np a r a m e t e r s O p t i m i z et h ed e s i g no ft h ea u
13、t o m a t i ct r a c k i n go p t i c a l l yp u m p e dr u b i d i u mm a g n e t o m e t e r s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h eF M A c tt op u ti n t ot h eo r i g i n a lR Fo s c i l l a t o rf r e q u e n c yo s c i l l a t o r 幻1K H zs i g n a lm o d u l a t i o n N e wd e s i g
14、 no ft h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i t ，t h em a s t e rc h i pw i t h T I s5 5 0 9 AD S P , u s i n gt h eA D 7 8 6 212 b i t p a r a l l e la c q u i s i t i o nt ot h eo p t i c a l l yp u m p e d r u b i d i u mm a g n e t o m e t e ro u t p u ts i g n a la n dt h er e f e r e n c em o
15、d u l a t i o ns i g n a l ( d u a l c h a n n e l s i g n a l ) ，t h eu s eo ft w oh i g h - p r e c i s i o np r o g r a m m a b l eA D 9 8 3 3a r el o a d e dR Fc o i lg e n e r a t e s s i g n a l sa n dm o d u l a t e dc a r d e rs i g n a l I no r d e rt of a s tt r a c ka n dl o c ko p t i c
16、a lr e s o n a n c e f f e q u e n c y ，w i t has p e c i a l l yd e s i g n e dc l o s e d l o o pc o n t r o ll o c kd e t e c t i o na l g o r i t h m ，t h es y s t e m d e s i g na n dD S Pc i r c u i td e b u g g i n gp a r to ft h ep r o g r a m m i n gp a r t ，t h ep r e p a r a t i o no ft h e a l g o r i t h md o w n l o a d e dt ot h eD S Ps y s t e m ，t h eo v e r a l ls y s t e md e b u g g i n g ，v e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h es y s t e md e s i g
