铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进

利用自主设计并制作的基于现场可编程门阵列的实时傅里叶变换采集卡(FFTsDAC),采用线偏振光检测碱金属铷原子气样品中的自旋随机涨落(即自旋噪声谱).详细讨论了背景噪声以及自旋噪声随探测光光强的变化关系,证实了自旋噪声来自于系统中自旋的随机涨落.对比了两种FFTsDAC(8 bit采样的FFTsDACl和12 bit采样的FFTsDAC2)的测量性能,分析了影响实验信噪比的因素.FFTsDAC2具有更高的测量效率和采样深度以及更长的单次采样时间,因而具有更高的信噪比和更好的频率分辨率,与数值模拟的结果一致.

铷原子气体自旋噪声谱测量的信噪比分析

自旋噪声谱是一种非扰动的自旋动力学研究方法,通过探测系统在非激发条件下的自旋涨落,可以揭示系统在热平衡状态下的性质.因为系统在稳态下的自旋涨落十分微弱,所以提高信噪比在自旋噪声谱的测量中特别重要.本文采用频谱仪、数据采集卡和实时傅里叶变换采集卡三种方法来测量铷原子气体的自旋噪声谱,并将实验结果进行对比,分析了叠加次数、测量效率和采样深度等因素对谱线信噪比的影响.实验发现,谱线叠加次数对自旋噪声谱的信噪比影响最为显著,测量效率则能反映不同方法在相同的测量时间内得到的谱线质量,并比较了三种方法的测量效率,采样深度的提高并不能明显改善自旋噪声谱的信噪比.相比于传统的频谱仪和数据采集卡,实时傅里叶变换采集卡的数据利用率和测量效率更高,从而具有更好的信噪比,非常有利于自旋噪声谱在自旋动力学研究中的应用.

微米气室铯原子自旋噪声谱

利用自旋噪声谱技术研究了无缓冲气体133Cs原子气室的自旋动力学和展宽机制.在宏观原子气室中,自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为高斯分布;在空间局域较强的微米气室中,自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为洛伦兹分布.实验测量得到的自旋弛豫速率失谐频率谱的展宽约4 GHz,明显大于宏观原子气室中约度强烈依赖于激光相对于原子共振跃迁的频率失谐;在微米气室中,由于较强的均匀展宽,总噪声的失谐频率谱中心处出现明显的凹陷.通过建立简化的物理模型来计算微米气室的展宽机制,在实验与理论中解释了原子的均匀展宽特性.

铷原子系综自旋噪声谱实验研究

自旋噪声谱是一种测量自旋涨落的光谱技术,由于无扰动的测量机制,其光谱信号非常微弱.本文基于含有一定压力的缓冲气体的天然丰度铷原子气室,搭建了无外磁干扰的铷原子系综自旋噪声谱测量装置,获得了微弱的铷原子系综自旋噪声谱信号,实现了对铷原子系综自旋特性的测量与表征.研究了探测光光强、频率失谐量、铷原子数密度等参数对自旋噪声谱信号的影响.自旋噪声谱信号的积分与探测光光强的平方成正比,光强会展宽自旋噪声谱的半高全宽.自旋噪声谱信号的积分依赖于探测光的失谐量,共振处呈现凹陷,这是由一定压力的缓冲气体的充入引起均匀展宽所导致.自旋噪声信号的积分与原子数密度的1/2次幂成正比.本研究有助于铷原子自旋噪声谱技术应用于磁场的精密测量等方面,也为高信噪比、小型化铷原子自旋噪声谱测量系统的研制提供了参考.

基于FPGA的多参数可调高速自旋噪声谱仪

针对自旋噪声功率谱测量中带宽、谱分辨率、速率等测量指标,设计实现了一种基于现场可编程门阵列技术的多参数可调自旋噪声谱仪,能够对采样噪声信号进行快速傅里叶变换(FFT)获取自旋噪声功率谱。仪器能够实现采样率在1 MS/s^2 GS/s可调,FFT数据长度在1~64 K可调,平均次数1~65 535可调,并可以通过上位机LabVIEW程序灵活地调整工作参数和读取功率谱结果。

铷原子自旋噪声谱分析中的窗口效应实验研究

快速傅里叶变换是频谱分析的常用方法,但无法避免栅栏效应和频谐泄漏现象,导致频谱分析出现误差.通过加窗对信号进行时域处理,能够减少频谱泄露.由于不同窗函数对信号频谱产生的影响不同,会造成参数标定或信号估计的偏差,因此对窗口效应的研究非常必要.本文对铷原子在不同温度下的自旋噪声信号进行采集,并选取常用窗函数进行数据处理和分析,从而给出实验上的修正关系.这将为利用自旋噪声谱对原子系综进行标定和分析提供很好的参考和校准.

多参数可调高速自旋噪声谱仪

基于现场可编程门阵列技术(Field-Programmable Gate Array,FPGA),我们开发了采样速率、数据处理长度等多参数可调的快速傅立叶变换功能模块,用于灵活匹配实验测量中所要求的带宽和谱分辨率等参数要求。通过磁光法拉第自旋噪声谱在半导体的对比测量,我们验证了FPGA技术的数据处理速率是商业谱分析仪的600倍左右。