基于慢光的单探头磁场梯度测量的基础研究

磁场梯度信息因具有能突出浅层异常、分辨复杂异常体，能消除背景磁场、抑制噪声等特点而在地质资源勘探、医学诊断、军事对抗、科技考古以及金属材料无损探伤等领域得到了广泛应用。然而现在的多探头梯度测量方案存在着所探测的既非真实值也非平均值的严重缺陷，限制了梯度信息的正常应用，是一个亟待突破的研究方向。本项目将探索利用基于电磁诱导透明现象的慢光过程对磁场梯度进行精密测量的全新方案。与其它梯度测量方案最大的不同点是所测量的是磁场梯度的真实值，为梯度信息在生产实践中的正确应用奠定基础；此外通过降低慢光群速度可以提高梯度测量的灵敏度，而有效降低群速度的新机制、新方法不断涌现，令此测量方案成为一种极具发展潜力的研究方向。项目中拟通过深入研究外场与原子相互作用过程，明确磁场梯度与慢光传输的关系；探索通过控制各项实验参数进而降低慢光群速度的机理；从而建立利用慢光探测磁场梯度的单探头新方法。

本项目重点研究基于慢光的单探头磁场梯度测量方法，项目从理论和实验两个方面重点对以下三个要点进行了研究：1. 研究磁场、光场和原子相互作用机制。2. 研究相互作用过程中，影响慢光的物理机制。3. 研究多个磁子能级慢光过程的物理特性。严格执行了项目申请书所述的研究方案，解决了关键的科学问题，完成了所有的研究内容，并在充分总结以上工作进展的基础上，凝练出以下几个创新性成果：1.基于缓冲气体诱导共振的无调制的激光稳频技术，此项成果针对双光子过程研究了一种新型的无调制稳频技术，可用于EIT光谱，CPT光谱，拉曼光谱等一系列需要满足双光子共振的精密光谱实验。2.闭合能级结构的激光光泵磁力仪，此项研究成果研究了一种新型的光泵磁力仪方案，其将处于极化态的原子由原来的小于80%提高到90%，有效地提高了原子极化程度，为提高磁场测量的灵敏度提供了一种全新的光泵方案。3.同时满足高灵敏和高准确度的CPT磁力仪，此项研究成果在地磁场测量中，获得了2pT的测量灵敏度和0.5nT的准确度，其性能指标覆盖了电子磁共振和质子磁共振磁力仪的性能，是一种全新的能够同时获得高灵敏度和高准确度的磁力仪方案，将在空间探测、地质勘探等领域获得重要应用，为这些领域提供更为精准的测量数据。4.多原子腔电动力学系统中相干控制的非线性激发过程，通过此项研究的开展，在获得一定研究成果的同时，我们掌握了多原子体系腔电动力学的实验技术，对腔中非线性光谱特性有了一定的了解，为下一步开展基于腔电动力学效应的CPT原子磁力仪奠定了必要的基础。这四项成果均已发表于SCI收录的物理类期刊上。