磁场量子传感器（超导量子干涉仪、激光泵浦型原子传感器、金刚石氮-空位色心等）利用量子效应对磁场进行精密测量。激光泵浦型原子传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低和易维护的优点，已成为当前快速发展的一个研究领域。激光泵浦型原子传感器已被应用于核磁共振领域，用来获取物质更精确的核磁共振波谱以及实现特殊条件下对样品的测量。特别地，在延伸至零场-超低场（磁感应强度B<1 μT）的核磁共振研究中，激光泵浦型原子传感器展现出了许多重要应用特性，拓展了人们对生物、化学物质更精细结构的探测和解析能力，进而使得核磁共振测量与研究覆盖了高场（B>1 T）、低场（μT<B<1 T）和零场-超低场（B<1 μT）整个工作磁场范围。本文简要介绍了基于激光泵浦型原子传感器的零场-超低场核磁共振的基本原理和相关技术，包括核磁样品的极化增强（强磁场热极化、激光泵浦极化、动态核极化、仲氢诱导极化等）以及传输、编码和探测等，综述了近几年来基于激光泵浦型原子传感器的核磁共振研究进展，并展望了该技术的发展趋势和应用前景。

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺, 已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度, 其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境, 高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制, 还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发, 通过数学计算和计算机仿真, 分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布, 并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍, 满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

孔结构演化对混凝土抗冻性能至关重要, 为研究纳米TiO2对混凝土孔结构及抗冻性能的影响, 本文选取替代率分别为0%、1%、3%、5%(质量分数, 下同)的纳米TiO2混凝土为研究对象, 进行了快冻法试验、抗压强度试验、核磁共振试验及扫描电子显微镜试验。通过纳米TiO2混凝土冻融循环前后质量、动弹模量、抗压强度、孔结构及微观形貌的变化, 评估-18~5 ℃条件下的冻融损伤并分析纳米TiO2对混凝土性能的改善机理; 同时建立抗压强度、相对动弹模量、自由水饱和度及裂缝占比响应模型以确定纳米TiO2的最佳掺量。结果表明: 适量的纳米TiO2可有效改善混凝土微观形貌, 增加混凝土微孔及中孔的比例, 减小大孔及裂缝的比例, 过量的纳米TiO2会使混凝土中大孔和裂缝的比例增大, 不利于混凝土抗冻性能的提高; 纳米TiO2掺量为1%时, 混凝土抗冻性能最佳。基于抗冻性能指标与孔隙测试结果建立响应模型, 确定纳米TiO2最佳掺量接近1%, 这与试验结果相符合。

为了解决传统的荧光光谱采集系统与光探测磁共振(optically detected magnetic resonance，后文简称ODMR)光谱采集系统存在的搭建繁琐、检测样品聚焦精度较低、采集系统之间转换困难以及ODMR光谱采集信号信噪比和采集精度较低的问题，设计了基于光纤传感的荧光采集与ODMR光谱采集转换系统。通过光纤将激发光源电路、微波传感天线、光纤传感器、显微聚焦光路、PD(photodetector)放大电路、信号处理模块以及荧光光谱仪各模块进行耦合集成，为信号处理的软件提供硬件部分支持。在软件部分，通过开源程序编写实现信号数据处理以及光谱成像功能，利用PD放大电路对数据进行初步处理之后，在软件部分通过信号处理模块进行进一步处理，数据以图谱形式呈现，并且最终磁灵敏度达到0.51nT/Hz1/2。

为探究热活化油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 进一步推广应用油页岩半焦-水泥混凝土, 本文采用混凝土碳化试验、抗氯离子渗透试验以及抗冻性试验, 探究不同活化煅烧温度(300、400、500和600 ℃)与不同掺量(0%、5%、10%、15%、20%和25%, 质量分数)油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 并采用核磁共振(NMR)测试分析混凝土内部孔径分布和孔隙度, 从孔径分布特征揭示油页岩半焦对混凝土耐久性的影响机理。结果表明: 相对于油页岩半焦活化煅烧温度, 油页岩半焦掺量对混凝土耐久性的影响更为显著; 油页岩半焦的掺入会降低混凝土的抗碳化性能, 但25%掺量下仍能满足规范设计值要求, 碳化深度远小于20 mm; 抗氯离子渗透性也会随油页岩半焦的掺入而降低, 掺量不高于25%时仍处于低渗透率区间; 5种油页岩半焦掺量的混凝土均能满足150次的冻融循环要求, 整体而言其具有较好的耐久性; 此外, 油页岩半焦的掺入明显改变了混凝土内部的孔径分布及孔隙数量, 因而对混凝土的耐久性产生不同程度的影响。

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术, 通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。 由于金刚石稳定性高, 抗干扰能力强, 可制成不同尺寸, NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径, 具有良好的应用前景。 实验测量中, 首先使用激光对色心进行电子自旋极化, 然后使用微波对电子自旋进行调控, 进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱, 对谱线进行拟合分析获得D值。 激光功率波动是重要的实验噪声来源之一, 为了获得较高的极化率, 需要足够的激光功率, 然而较大激光功率下, 光功率波动会影响电子自旋极化率, 从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性, 增加光谱的噪声, 最终增大数据测量的误差。 在常规测量中, 不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。 为降低激光功率波动产生的误差, 提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法, 可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值, 对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化, 从而输出归一化光谱。 在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验, 考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化, 确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。 在不同的激光功率下, 分别采用直接拟合法、 数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。 数据分析结果表明, 相较于直接拟合法和数学归一化法, 脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%, 得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。 该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径, 提高D值测量分辨力, 为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。