CN102914298B - 一种富勒烯分子陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种富勒烯分子陀螺，其特征是采用富勒烯内嵌原子或分子以防止自旋碰撞交换弛豫及自旋碰撞破坏。采用微结晶准固态成型，使富勒烯分子按照一定结构排列起来，以提高敏感原子密度。采用光学及微波手段进行原子能级的操控与检测，实现原子或分子在惯性空间中的定轴以及惯性信号的检测。本发明具有灵敏度高、热稳定性好等优点，对研制新一代基于原子自旋效应的高精度、高稳定、小体积的固态陀螺仪有着重要的价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种富勒烯分子陀螺，对研制新一代基于原子自旋效应的高精度、高稳定、小体积的固态陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来战略武器装备的惯性导航与制导。
背景技术
超高精度的惯性导航与制导是战略核潜艇、远程战略导弹、航空母舰、远程战略轰炸机等战略武器装备的急需。超高精度的陀螺仪已经成为提高各国未来战略武器装备威摄力的核心关键之一。陀螺仪技术已经经过了两代发展。第一代陀螺仪为基于牛顿力学的转子陀螺仪，主要包括三浮陀螺仪、静电陀螺仪。第二代陀螺仪为基于波动光学的光学陀螺仪，主要包括激光陀螺仪与光纤陀螺仪。本世纪开始，随着原子光子领域的重大科学发现与技术突破，国外将超高精度陀螺仪的研究重点转向了第三代陀螺仪——基于量子力学的原子陀螺仪，主要包括无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺仪、冷原子干涉陀螺仪，以期在超高精度陀螺仪领域取得跨越式发展。
和机械陀螺仪和光学陀螺仪相比，基于原子量子效应的原子陀螺仪具有超高灵敏超高精度的优势。其中，基于原子波动性质的原子干涉陀螺相比于基于原子自旋效应的原子自旋陀螺，其光场磁场控制结构复杂，体积大，但测量精度高。原子自旋陀螺体积相对较小，而基于富勒烯的固态陀螺更可以实现更小体积下的高精度惯性测量。
近年来，富勒烯分子材料作为一种新型的碳纳米材料在光电、力学、生物医学、催化等领域的潜在应用不断引起研究人员的极大关注。原子自旋陀螺一般采用一个碱金属气室，内部含有约1013个/cm3的碱金属原子，采用富勒烯晶体作为敏感元件，单位体积敏感原子数提升至1017~1018个/cm3；另外，对普通气态原子自旋陀螺来说进行惯性测量时要保证碱金属气室内原子处于SERF态下，必须将碱金属气室温度严格控制在较高的温度下，从而保证较好的SERF态性能，而基于富勒烯的固态陀螺仪，对温度并无特别要求，可工作在室温下；第三，制约SERF原子自旋陀螺仪精度进一步提高的主要原因是原子自旋之间的碰撞弛豫。该弛豫破坏了原子自旋的定轴性，降低了陀螺仪的精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服基于气态原子气室的原子自旋陀螺的原子自旋碰撞破坏弛豫，提高单位体积内敏感原子数，提供一种基于富勒烯分子的陀螺，能够实现较长的原子自旋弛豫时间，实现高精度新型的固态原子陀螺应用。
本发明的技术解决方案为：一种富勒烯分子陀螺，其特征在于包括：内嵌富勒烯晶体10、内嵌原子综合操控检测模块3、地磁场补偿模块1、伺服框架2；
内嵌富勒烯晶体10作为富勒烯分子陀螺的核心敏感元件。内嵌富勒烯晶体10由内嵌富勒烯分子通过微结晶的方法实现限域组装，内嵌富勒烯分子为富勒烯碳笼内嵌一个原子形成，通过操控和检测内嵌原子自旋可以获得旋转角速度和磁场信号。
内嵌原子综合操控检测模块3用于驱动组成内嵌富勒烯晶体10的内嵌富勒烯分子内嵌原子的自旋极化，检测内嵌原子自旋进动信号，以获取惯性测量信号；内嵌原子综合操控检测模块3安装于伺服框架2内，保证内嵌富勒烯晶体10跟踪惯性坐标系；由内嵌原子综合操控检测模块3输出的内嵌原子自旋进动信号包含了内嵌原子对磁场和惯性测量获得的信号，输出的磁场测量信号输入地磁场补偿模块1用于控制三维地磁场补偿线圈补偿地磁场，输出的惯性测量角速度信号输入伺服框架2用于控制伺服框架跟踪惯性坐标系。
所述内嵌原子综合操控检测模块3包括：内嵌原子环境综合保障部分42、内嵌原子自旋综合调控部分43和内嵌原子自旋信号检测部分44；
所述原子环境综合保障部分42由磁屏蔽桶4、综合温度控制装置9组成；磁屏蔽桶4在内嵌原子综合操控检测模块3的最外层，用于屏蔽地磁场剩磁和环境磁噪声，保障内嵌原子进行惯性测量时的磁环境；综合温度控制装置9安装于主磁场线圈6内，位于内嵌富勒烯晶体10、RF微波发生装置11和荧光检测装置12外部，综合温度控制装置9包括一组温度传感器、无磁加热烤箱、集成化无磁加热装置，以实现固态原子陀螺测量稳定性对1fT/Hz1/2量级以下低磁噪声温度控制的要求；所述集成化无磁加热装置和一组温度传感器安装于无磁加热烤箱内部，通过优化设计使得无磁加热装置和一组温度传感器的安装能够保证烤箱内部环境被均匀加热并被稳定控制；所述RF微波发生装置11由一个RF线圈构成或在内嵌富勒烯晶体10上铺设一条细铜线，通以高频交流电，产生射频磁场对富勒烯内嵌原子能级进行操控来实现。
所述内嵌原子自旋综合调控部分43安装于磁屏蔽桶4的内部，内嵌原子自旋综合调控部分43包括RF微波发生装置11、主磁场线圈6、集成化泵浦激光器5、抽运光综合控制光电模块45；RF微波发生装置11安装在综合温度控制装置9内，靠近内嵌富勒烯晶体10的位置，用于产生对内嵌原子能级操控的频率稳定的射频磁场或微波；主磁场线圈6安装于综合温度控制装置9的外部，用于产生操控内嵌原子所需的均匀主磁场，所产生的磁场在内嵌富勒烯晶体10所在的区域内要求均匀性小于0.1pT/cm，磁场随时间变化的稳定性要求小于0.1pT/s；集成化泵浦激光器5安装在主磁场线圈6外，用于产生内嵌原子自旋极化驱动抽运光；集成化泵浦激光器5受抽运光综合控制光电模块45反馈的频率稳定信号及功率稳定信号的控制，产生频率、功率稳定的抽运激光，操控内嵌原子的精细能级结构；抽运光综合控制光电模块45各元件按抽运光光路布置于集成化泵浦激光器5之后；工作时，RF微波发生装置11、主磁场线圈6和集成化泵浦激光器5产生的抽运光同时作用与内嵌富勒烯晶体10，主磁场线圈6先加一个大于500G的均匀稳定的强磁场，耦合内嵌原子的电子自旋和核自旋，然后磁场调弱至小于10G，以检测自旋进动；
所述内嵌原子自旋信号检测部分44包括荧光检测装置12、集成化检测光激光器7、检测光综合控制光电模块46；荧光检测装置12由若干荧光检测光电探测器组成，根据内嵌富勒烯晶体10的体积和形状用荧光检测CCD进行信号的检测，该信号给出作为基于Berry相原理的陀螺进动角速度信号；所述检测光综合控制光电模块46包括一个检测光激光器7，受检测光稳频控制电路26和检测光功率稳定控制电路29反馈的频率、功率稳定信号控制，产生功率稳定的检测光，用于光旋转法检测信号；基于偏振光旋转法检测得到的自旋进动角信号中包含两部分信号：磁场引起的内嵌原子自旋进动信号和内嵌富勒烯晶体10旋转引起的内嵌原子自旋进动信号；结合基于Berry相原理的陀螺进动角速度信号实现基于偏振光旋转法检测得到的信号中惯性测量信号和磁场测量信号的解耦，分别输出磁场信号和惯性测量旋转角速度信号，磁场信号用于反馈回地磁补偿模块1实现高精度磁场补偿，惯性测量信号用于反馈回伺服框架2实现对惯性坐标系的跟踪。
地磁场补偿模块1包括三维地磁场补偿线圈和地磁场补偿控制电路，其中三维地磁场补偿线圈在富勒烯分子陀螺的最外层，用于补偿地磁场，三维地磁场补偿线圈包括3组两两正交的亥姆赫兹线圈；地磁场补偿控制电路输出控制三维地磁场补偿线圈中的电流以补偿磁场，其控制输入量为内嵌原子综合操控检测模块3输出的磁场测量信号。地磁场补偿精度由测量得到的内嵌原子磁场测量灵敏度决定。
伺服框架2位于三维地磁场补偿线圈内，伺服框架2内安装内嵌原子综合操控检测模块3；伺服框架2包括机械框架和伺服电机，机械框架由伺服电机控制，伺服电机的输入为内嵌原子综合操控检测模块3输出的惯性测量旋转角速度信号，伺服电机的输出力矩控制机械框架使之跟踪惯性坐标系。机械框架跟踪惯性坐标系的精度由内嵌原子惯性测量旋转角速度的灵敏度决定。
所述抽运光综合控制光电模块45包括实现控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率的多种光学元器件和控制电路。集成化泵浦激光器5发出的抽运光先通过抽运光光隔离器14，再通过抽运光针孔15。抽运光光隔离器14防止后面光学元器件的反射光进入集成化泵浦激光器5影响其性能，抽运光针孔15将抽运光除单模以外的其它横模都滤除掉；然后抽运光经第一分光镜38，分出一束抽运光用于频率稳定，用于稳定频率的抽运光先通过抽运光稳频F-P腔16，抽运光稳频F-P腔17的出射光进入抽运光稳频光电探测器18检测光束频率的变化，抽运光稳频控制器16产生频率控制信号反馈回激光器5；由第一分光镜38分出的另一束抽运光继续通过第二分光镜39分出一束抽运光用于功率稳定控制，用于抽运光功率稳定控制的光束入射抽运光功率检测光电探测器20，检测信号输入抽运光功率稳定控制器19，抽运光功率稳定控制器19反馈功率稳定控制信号至集成化泵浦激光器5；由第二分光镜分出的另一束抽运光先后通过抽运光格氏透镜21和抽运光1/4玻片22得到高质量的圆偏振抽运光，然后通过内嵌富勒烯晶体10极化原子自旋后，最后入射抽运光饱和吸收检测光电探测器23用于检测饱和吸收状态，抽运光饱和吸收检测光电探测器23连接抽运光饱和吸收检测控制器37，产生功率控制信号反馈回集成化泵浦激光器5，控制抽运光功率使富勒烯晶体10处于饱和吸收状态；
所述检测光综合控制光电模块46包括控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率以及用于法拉第调制检测的多种光学元器件和控制电路。检测光激光器7产生检测光后检测光先通过检测光光隔离器24，再通过检测光针孔25；然后检测光经由第三分光镜40分出一束光用于频率稳定，用于频率稳定的光束通过检测光稳频F-P腔28，然后入射检测光稳频光电探测器27，其输出的光强信号输入检测光稳频控制器26，检测光稳频控制器26输出反馈回检测光激光器7实现稳频。检测光通过第三分光镜40后分出的另一束光经由第四分光镜41再次分出一束用于功率稳定。用于功率稳定的光束入射检测光功率稳定光电探测器30，产生的光强信号输入检测光功率稳定控制器29，检测光功率稳定控制器29反馈功率稳定信号至检测光激光器7。由第四分光镜41分出的另一束光作为最后透射内嵌富勒烯晶体10的检测光，进入偏振光法拉第调制检测模块进行偏振方向的调制以便于内嵌原子自旋进动角的检测。检测光束经第四分光镜41分出后先后通过检测光起偏格氏透镜31和法拉第调制器8，对检测光偏振方向进行调制后透射内嵌富勒烯晶体10，然后通过检测光检偏格氏透镜34；检测光起偏格氏透镜31和检测光检偏格氏透镜34安装时要求二者的光轴方向相互严格正交；法拉第调制器8对偏振光偏振方向进行调制，用法拉第调制器温度控制器32控制法拉第调制器8中的法拉第磁光晶体温度，以致磁光晶体维尔德系数的随温度的漂移；最后入射检测光偏振检测光电探测器13，其输出通过内嵌原子自旋进动角检测电路35运算获取内嵌原子自旋敏感到的磁场和惯性旋转角速度信号，结果输入法拉第调制器驱动控制器36，由法拉第调制器驱动控制器36输出反馈控制信号给法拉第调制器8、伺服框架2实现检测光偏振转角的零位测量和伺服框架跟踪惯性坐标系。
本发明的原理：本发明基于内嵌原子自旋光旋转检测的富勒烯分子陀螺的基本原理为：如图2所示，通过射频磁场与激光对内嵌原子电子进行极化，使电子自旋具有宏观指向一致性，再通过配合磁场操控下的电子-核子自旋耦合，使核自旋与电子自旋宏观空间指向一致，从而在惯性空间定轴。主磁场线圈施加高均匀度、高时间稳定的主磁场，原子感受到该磁场在惯性空间中得旋转，电子产生跃迁释放出荧光，检测荧光强度，基于Berry几何相获得旋转角速度信号。再用一束线偏振光经过富勒烯晶体产生光旋转，检测光偏振方向发生偏转，偏转角度表征了内嵌原子自旋指向的宏观进动角，耦合了内嵌原子对磁场的敏感信号以及内嵌原子对旋转引起的惯性信号，将该光旋转信号利用荧光检测信号进行解耦获得磁场信号反馈回地磁场补偿线圈及主磁场线圈进行地磁补偿，去除富勒烯晶体敏感的磁场信号，最终获得高精度惯性测量信号。
本发明的原理：本发明基于内嵌原子自旋光旋转检测的富勒烯分子陀螺的基本原理为：如图2所示，通过射频磁场与激光对内嵌原子电子进行极化，使电子自旋具有宏观指向一致性，再通过配合磁场操控下的电子-核子自旋耦合，使核自旋与电子自旋宏观空间指向一致，从而在惯性空间定轴。主磁场线圈施加高均匀度、高时间稳定的主磁场，原子感受到该磁场在惯性空间中得旋转，电子产生跃迁释放出荧光，检测荧光强度，基于Berry几何相获得旋转角速度信号。再用一束线偏振光经过富勒烯晶体产生光旋转，检测光偏振方向发生偏转，偏转角度表征了内嵌原子自旋指向的宏观进动角，耦合了内嵌原子对磁场的敏感信号以及内嵌原子对旋转引起的惯性信号，将该光旋转信号利用荧光检测信号进行解耦获得磁场信号反馈回地磁场补偿线圈及主磁场线圈进行地磁补偿，去除富勒烯晶体敏感的磁场信号，最终获得高精度惯性测量信号。
基于Berry几何相的富勒烯分子陀螺的基本原理为：考虑一个量子体系，其哈密顿量依赖于磁场，依周期演化，体系的量子态随时间的演化遵守含时薛定谔方程，在满足绝热定理的条件下，相位按时间演化的结果中存在一个绝热相，该绝热相不依赖于以磁场为参量的路径如何行走，称为Berry几何相。利用斯托克斯定理化为路径积分为参数空间中的面积分，形式上，可获得与磁矢势有关的表达式，则绝热相的内涵即为以磁场矢量端点划出的路径为边界的曲面的磁通量，对应于磁场转过的立体角的大小。基于Berry几何相的富勒烯分子陀螺即检测此立体角大小获得载体旋转引起的陀螺惯性信号。
基于光旋转检测磁场与惯性信号的基本原理为：将富勒烯内嵌的原子通过磁场和光场操控实现极化后，内嵌原子自旋具有相同的宏观指向，和抽运光的方向相同。这时如果抽运光方向发生旋转，则和内嵌原子自旋宏观指向产生夹角，称为自旋进动角。同时，如果内嵌原子感受到磁场，则磁场和内嵌原子自旋相互作用亦使得内嵌原子产生自旋进动角。线偏振检测光这时通过富勒烯晶体，受内嵌原子作用将会使得偏振方向旋转，称之为光旋转，利用该旋转角度信号即可获得磁场与惯性的敏感信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：相比于以气态原子为敏感元的原子自旋陀螺，由于利用富勒烯碳笼对原子分子实现了囚禁，使得原子间碰撞得以避免，同时通过微结晶准固态成型技术，使单位体积内敏感原子数目提高了4至5个数量级，从而既保证了较长的原子自旋弛豫时间，同时还保证了敏感原子的高密度，实现高精度富勒烯分子陀螺。基于富勒烯的分子陀螺是一类固态陀螺，具有热稳定性好的特点，对工作温度没有特别的要求，可实现室温下的测量装置。此外，这一类固态原子陀螺具有体积小的特点。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的光电综合控制检测部分结构示意图；
图3为本发明的内嵌原子环境综合保障部分结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：内嵌富勒烯晶体10、内嵌原子综合操控检测模块3、地磁场补偿模块1、伺服框架2；
内嵌富勒烯晶体10作为富勒烯分子陀螺的核心敏感元件。内嵌富勒烯晶体10由内嵌富勒烯分子通过微结晶的方法实现限域组装，内嵌富勒烯分子为富勒烯碳笼内嵌一个原子形成，通过操控和检测内嵌原子自旋可以获得超高灵敏的旋转角速度和磁场信号。
内嵌原子综合操控检测模块3用于驱动组成内嵌富勒烯晶体10的内嵌富勒烯分子内嵌原子的自旋极化，检测内嵌原子自旋进动信号，以获取惯性测量信号；内嵌原子综合操控检测模块3安装于伺服框架2内，保证内嵌富勒烯晶体10跟踪惯性坐标系；由内嵌原子综合操控检测模块3输出的内嵌原子自旋进动信号包含了内嵌原子对磁场和惯性测量获得的信号，输出的磁场测量信号输入地磁场补偿模块1用于控制三维地磁场补偿线圈补偿地磁场，输出的惯性测量角速度信号输入伺服框架2用于控制伺服框架跟踪惯性坐标系。
内嵌原子综合操控检测模块3包括：内嵌原子环境综合保障部分42、内嵌原子自旋综合调控部分43和内嵌原子自旋信号检测部分44；
所述原子环境综合保障部分42由磁屏蔽桶4、综合温度控制装置9组成；磁屏蔽桶4在内嵌原子综合操控检测模块3的最外层，用于屏蔽地磁场剩磁和环境磁噪声，保障内嵌原子进行惯性测量时的磁环境；综合温度控制装置9安装于主磁场线圈6内，位于内嵌富勒烯晶体10、RF微波发生装置11和荧光检测装置12外部，综合温度控制装置9包括一组温度传感器、无磁加热烤箱、集成化无磁加热装置，以实现固态原子陀螺测量稳定性对1fT/Hz1/2量级以下低磁噪声温度控制的要求；所述集成化无磁加热装置和一组温度传感器安装于无磁加热烤箱内部，通过优化设计使得无磁加热装置和一组温度传感器的安装能够保证烤箱内部环境被均匀加热并被稳定控制；所述RF微波发生装置11由一个RF线圈构成或在内嵌富勒烯晶体10上铺设一条细铜线，通以高频交流电，产生射频磁场对富勒烯内嵌原子能级进行操控来实现。
内嵌原子自旋综合调控部分43安装于磁屏蔽桶4的内部，内嵌原子自旋综合调控部分43包括RF微波发生装置11、主磁场线圈6、集成化泵浦激光器5、抽运光综合控制光电模块45；RF微波发生装置11安装在综合温度控制装置9内，靠近内嵌富勒烯晶体10的位置，用于产生对内嵌原子能级操控的频率稳定的射频磁场或微波；主磁场线圈6安装于综合温度控制装置9的外部，用于产生操控内嵌原子所需的均匀主磁场，所产生的磁场在内嵌富勒烯晶体10所在的区域内要求均匀性小于0.1pT/cm，磁场随时间变化的稳定性要求小于0.1pT/s；集成化泵浦激光器5安装在主磁场线圈6外，用于产生内嵌原子自旋极化驱动抽运光；集成化泵浦激光器5受抽运光综合控制光电模块45反馈的频率稳定信号及功率稳定信号的控制，产生频率、功率稳定的抽运激光，操控内嵌原子的精细能级结构；抽运光综合控制光电模块45中各元件按抽运光光路布置于集成化泵浦激光器5之后；工作时，RF微波发生装置11、主磁场线圈6和集成化泵浦激光器5产生的抽运光同时作用与内嵌富勒烯晶体10，主磁场线圈6先加一个大于500G的均匀稳定的强磁场，耦合内嵌原子的电子自旋和核自旋，然后磁场调弱至小于10G，以检测自旋进动；
内嵌原子自旋信号检测部分44包括荧光检测装置12、集成化检测光激光器7、检测光综合控制光电模块46；荧光检测装置12由若干荧光检测光电探测器组成，根据内嵌富勒烯晶体10的体积和形状用荧光检测CCD进行信号的检测，该信号给出作为基于Berry相原理的陀螺进动角速度信号；所述检测光综合控制光电模块46包括一个检测光激光器7，受检测光稳频控制电路26和检测光功率稳定控制电路29反馈的频率、功率稳定信号控制，产生功率稳定的检测光，用于光旋转法检测信号；基于偏振光旋转法检测得到的自旋进动角信号中包含两部分信号：磁场引起的内嵌原子自旋进动信号和内嵌富勒烯晶体10旋转引起的内嵌原子自旋进动信号；结合基于Berry相原理的陀螺进动角速度信号实现基于偏振光旋转法检测得到的信号中惯性测量信号和磁场测量信号的解耦，分别输出磁场信号和惯性测量旋转角速度信号，磁场信号用于反馈回地磁补偿模块1实现高精度磁场补偿，惯性测量信号用于反馈回伺服框架2实现对惯性坐标系的跟踪。
地磁场补偿模块1包括三维地磁场补偿线圈和地磁场补偿控制电路，其中三维地磁场补偿线圈在富勒烯分子陀螺的最外层，用于补偿地磁场，三维地磁场补偿线圈包括3组两两正交的亥姆赫兹线圈；地磁场补偿控制电路输出控制三维地磁场补偿线圈中的电流以补偿磁场，其控制输入量为内嵌原子综合操控检测模块3输出的磁场测量信号。地磁场补偿精度由测量得到的内嵌原子磁场测量灵敏度决定。
伺服框架2位于三维地磁场补偿线圈内，伺服框架2内安装内嵌原子综合操控检测模块3；伺服框架2包括机械框架和伺服电机，机械框架由伺服电机控制，伺服电机的输入为内嵌原子综合操控检测模块3输出的惯性测量旋转角速度信号，伺服电机的输出力矩控制机械框架使之跟踪惯性坐标系。机械框架跟踪惯性坐标系的精度由内嵌原子惯性测量旋转角速度的灵敏度决定。
抽运光综合控制光电模块45包括实现控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率的多种光学元器件和控制电路。集成化泵浦激光器5发出的抽运光先通过抽运光光隔离器14，再通过抽运光针孔15。抽运光光隔离器14防止后面光学元器件的反射光进入集成化泵浦激光器5影响其性能，抽运光针孔15将抽运光除单模以外的其它横模都滤除掉；然后抽运光经第一分光镜38，分出一束抽运光用于频率稳定，用于稳定频率的抽运光先通过抽运光稳频F-P腔16，抽运光稳频F-P腔17的出射光进入抽运光稳频光电探测器18检测光束频率的变化，抽运光稳频控制器16产生频率控制信号反馈回激光器5；由第一分光镜38分出的另一束抽运光继续通过第二分光镜39分出一束抽运光用于功率稳定控制，用于抽运光功率稳定控制的光束入射抽运光功率检测光电探测器20，检测信号输入抽运光功率稳定控制器19，抽运光功率稳定控制器19反馈功率稳定控制信号至集成化泵浦激光器5；由第二分光镜分出的另一束抽运光先后通过抽运光格氏透镜21和抽运光1/4玻片22得到高质量的圆偏振抽运光，然后通过内嵌富勒烯晶体10极化原子自旋后，最后入射抽运光饱和吸收检测光电探测器23用于检测饱和吸收状态，抽运光饱和吸收检测光电探测器23连接抽运光饱和吸收检测控制器37，产生功率控制信号反馈回集成化泵浦激光器5，控制抽运光功率使富勒烯晶体10处于饱和吸收状态；
检测光综合控制光电模块46包括控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率以及用于法拉第调制检测的多种光学元器件和控制电路。检测光激光器7产生检测光后检测光先通过检测光光隔离器24，再通过检测光针孔25；然后检测光经由第三分光镜40分出一束光用于频率稳定，用于频率稳定的光束通过检测光稳频F-P腔28，然后入射检测光稳频光电探测器27，其输出的光强信号输入检测光稳频控制器26，检测光稳频控制器26输出反馈回检测光激光器7实现稳频。检测光通过第三分光镜40后分出的另一束光经由第四分光镜41再次分出一束用于功率稳定。用于功率稳定的光束入射检测光功率稳定光电探测器30，产生的光强信号输入检测光功率稳定控制器29，检测光功率稳定控制器29反馈功率稳定信号至检测光激光器7。由第四分光镜41分出的另一束光作为最后透射内嵌富勒烯晶体10的检测光，进入偏振光法拉第调制检测模块进行偏振方向的调制以便于内嵌原子自旋进动角的检测。检测光束经第四分光镜41分出后先后通过检测光起偏格氏透镜31和法拉第调制器8，对检测光偏振方向进行调制后透射内嵌富勒烯晶体10，然后通过检测光检偏格氏透镜34；检测光起偏格氏透镜31和检测光检偏格氏透镜34安装时要求二者的光轴方向相互严格正交；法拉第调制器8对偏振光偏振方向进行调制，用法拉第调制器温度控制器32控制法拉第调制器8中的法拉第磁光晶体温度，以致磁光晶体维尔德系数的随温度的漂移；最后入射检测光偏振检测光电探测器13，其输出通过内嵌原子自旋进动角检测电路35运算获取内嵌原子自旋敏感到的磁场和惯性旋转角速度信号，结果输入法拉第调制器驱动控制器36，由法拉第调制器驱动控制器36输出反馈控制信号给法拉第调制器8、伺服框架2实现检测光偏振转角的零位测量和伺服框架跟踪惯性坐标系。
以上为一种富勒烯分子陀螺的主要构成，下面介绍一种富勒烯分子陀螺的工作方式：
首先通过地磁场补偿模块1，利用内嵌原子综合操控检测模块3输出的磁场测量信号进行反馈，使用地磁场补偿线圈进行地磁补偿，使得内嵌富勒烯晶体10处剩余磁场及磁噪声强度被抑制到低于内嵌原子对磁场敏感的灵敏度之内；使用磁屏蔽桶4进行剩磁和磁噪声的屏蔽，磁屏蔽桶4利用一层高导磁材料屏蔽地磁场剩磁，利用一层低导磁高导电材料对磁噪声进行屏蔽，通过上述手段可以实现基于原子自旋的惯性测量介质磁环境的保证。采用原子综合操控检测模块3通过内嵌富勒烯10测磁场对地磁场补偿进行反馈时不进行惯性测量，且反馈频率远低于惯性测量频率，利用磁场测量结果反馈和补偿进行惯性测量剩余磁场和磁噪声造成的误差。另外，采用综合温度控制装置9控制敏感介质的热环境，利用无磁加热装置控制恒温箱内温度，保证内嵌富勒烯10所处位置的热环境，实现一种富勒烯分子陀螺在长时间下的工作稳定性，保证惯性测量精度。
采用伺服框架2，包括机械框架和伺服电机，机械框架由伺服电机控制，伺服电机的输入为内嵌原子综合操控检测模块3输出的惯性测量旋转角速度信号，伺服电机的输出力矩控制机械框架使之跟踪惯性坐标系。机械框架跟踪惯性坐标系的精度由内嵌原子惯性测量旋转角速度的灵敏度决定。
采用射频微波和光学手段对内嵌原子进行综合操控。在富勒烯分子材料附近按同一方向绕制RF微波发生装置11的线圈，内部通以高频交流电产生射频磁场，对内嵌原子单态和三重态进行能级间操控。通过特定频率的圆偏振光对内嵌原子进行饱和抽运，对内嵌原子的超精细能级进行操控，进而操控原子自旋(电子自旋及核自旋)。集成化泵浦激光器5产生满足内嵌原子超精细能级跃迁频率的激光。抽运光先通过抽运光光隔离器14，只允许激光单向通过，防止后续器件反射光对激光器的影响。然后光束通过抽运光针孔15，将光束中除单模外其它模式的光都滤掉。通过第一分光镜38分出一束光进入抽运光稳频F-P腔17，由于抽运光稳频F-P腔17模式已选定，若激光频率产生偏移，则出射光光强变弱，抽运光稳频光电探测器18接收到的光强信号便会由抽运光稳频控制器16反馈至集成化泵浦激光器5，从而实现激光稳频。稳频后出射光功率基本稳定，再通过第二分光镜39分出一束光进入抽运光功率稳定光电探测器20检测光功率，通过抽运光功率稳定控制器19反馈至集成化泵浦激光器5实现激光功率的稳定。经稳频、稳功率后激光通过抽运光格氏透镜21和抽运光1/4玻片22得到高质量圆偏振光，入射富勒烯晶体10，后面安放饱和吸收检测光电探测器23检测出射光强，以判断抽运光是否被饱和吸收。饱和吸收检测光电探测器23信号接入饱和吸收检测控制器37反馈至集成化泵浦激光器5，控制激光功率使富勒烯晶体对抽运光饱和吸收。
对富勒烯分子内嵌原子的跃迁荧光检测的具体方法为：根据富勒烯晶体的大小、形状在富勒烯晶体10周围布置一圈高精度光电探测器，直接检测荧光光强。
采用光旋转检进行对富勒烯晶体内嵌原子自旋进动的高精度检测。检测光激光器7用于产生远失谐于抽运光频率的检测激光。通过检测光光隔离器24和检测光针孔25实现光束质量的控制，然后用第三分光镜40分出一束光，利用检测光稳频F-P腔28、检测光稳频光电探测器27、检测光稳频控制器26对检测光进行稳频控制。使用分光镜分出一束光利用检测光功率稳定光电探测器30、检测光功率稳定控制器29对检测光进行稳功率控制。随后检测光通过检测光起偏格氏透镜31成为线偏振光。利用胶粘的方式将起偏器的位置固定住，避免因振动等环境因素引起的检测光起偏格氏透镜31和检测光检偏格氏透镜34的垂直关系的漂移。得到的线偏振光随后进入法拉第调制器8对偏振方向进行调制。利用法拉第调制器温控装置33对磁光晶体温度进行控制，使磁光晶体的维德尔系数不随温度变化而漂移。最后偏振光通过与检测光起偏格氏透镜31偏振方向垂直的检测光检偏格氏透镜34，由检测光偏振检测光电探测器13检测光强信号。根据法拉第调制检测原理，检测光偏振检测光电探测器13输出的光强信号进入内嵌原子自旋进动角检测电路35得到检测光经过富勒烯晶体后偏振方向的偏转角，该信号输入控制器控制法拉第调制器8输入电流偏置，使经过富勒烯晶体10后总的偏转角保持在零位，这样内嵌原子自旋进动角检测电路35的输出即为检测光通过富勒烯晶体10偏转角的大小，从而实现了内嵌原子自旋进动的高精度检测。
原子综合操控检测模块3检测获得的荧光光强信号包含了载体旋转角速度的信号，内嵌原子自旋进动信号包括了磁场测量信号和惯性测量载体旋转角速度的信号，使用卡尔曼滤波的方法可以组合荧光光强信号和内嵌原子自旋进动信号从而最终得到磁场测量信号和载体旋转角速度信号，二者分别反馈回地磁场补偿模块和伺服框架，实现磁场补偿和惯性坐标系的跟踪。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种富勒烯分子陀螺，其特征在于包括：内嵌富勒烯晶体(10)、内嵌原子综合操控检测模块(3)、地磁场补偿模块(1)、伺服框架(2)；
内嵌富勒烯晶体(10)作为富勒烯分子陀螺的核心敏感元件；内嵌富勒烯晶体(10)由内嵌富勒烯分子通过微结晶的方法实现限域组装，内嵌富勒烯分子为富勒烯碳笼内嵌一个原子形成，通过操控和检测内嵌原子自旋获得旋转角速度和磁场信号；
内嵌原子综合操控检测模块(3)用于驱动组成内嵌富勒烯晶体(10)的内嵌富勒烯分子内嵌原子的自旋极化，检测内嵌原子自旋进动信号，以获取惯性测量信号；内嵌原子综合操控检测模块(3)安装于伺服框架(2)内，保证内嵌富勒烯晶体(10)跟踪惯性坐标系；由内嵌原子综合操控检测模块(3)输出的内嵌原子自旋进动信号包含了内嵌原子对磁场和惯性测量获得的信号，输出的磁场测量信号输入地磁场补偿模块(1)用于控制三维地磁场补偿线圈补偿地磁场，输出的惯性测量角速度信号输入伺服框架(2)用于控制伺服框架跟踪惯性坐标系；
所述内嵌原子综合操控检测模块(3)包括：内嵌原子环境综合保障部分(42)、内嵌原子自旋综合调控部分(43)和内嵌原子自旋信号检测部分(44)；
所述原子环境综合保障部分(42)由磁屏蔽桶(4)、综合温度控制装置(9)组成；磁屏蔽桶(4)在内嵌原子综合操控检测模块(3)的最外层，用于屏蔽地磁场剩磁和环境磁噪声，保障内嵌原子进行惯性测量时的磁环境；综合温度控制装置(9)安装于主磁场线圈(6)内，位于内嵌富勒烯晶体(10)、RF微波发生装置(11)和荧光检测装置(12)外部，综合温度控制装置(9)包括一组温度传感器、无磁加热烤箱、集成化无磁加热装置，以实现固态原子陀螺测量稳定性对1fT/Hz1/2量级以下低磁噪声温度控制的要求；所述集成化无磁加热装置和一组温度传感器安装于无磁加热烤箱内部，通过优化设计使得无磁加热装置和一组温度传感器的安装能够保证烤箱内部环境被均匀加热并被稳定控制；所述RF微波发生装置(11)由一个RF线圈构成或在内嵌富勒烯晶体(10)上铺设一条细铜线，通以高频交流电，产生射频磁场对富勒烯内嵌原子能级进行操控来实现；
所述内嵌原子自旋综合调控部分(43)安装于磁屏蔽桶(4)的内部，内嵌原子自旋综合调控部分(43)包括RF微波发生装置(11)、主磁场线圈(6)、集成化泵浦激光器(5)、抽运光综合控制光电模块(45)；RF微波发生装置(11)安装在综合温度控制装置(9)内，靠近内嵌富勒烯晶体(10)的位置，用于产生对内嵌原子能级操控的频率稳定的射频磁场；主磁场线圈(6)安装于综合温度控制装置(9)的外部，用于产生操控内嵌原子所需的均匀主磁场，所产生的磁场在内嵌富勒烯晶体(10)所在的区域内要求均匀性小于0.1pT/cm，磁场随时间变化的稳定性要求小于0.1pT/s；集成化泵浦激光器(5)安装在主磁场线圈(6)外，用于产生内嵌原子自旋极化驱动抽运光；集成化泵浦激光器(5)受抽运光综合控制光电模块(45)反馈的频率稳定信号及功率稳定信号的控制，产生频率、功率稳定的抽运激光，操控内嵌原子的精细能级结构；抽运光综合控制光电模块(45)各元件按抽运光光路布置于集成化泵浦激光器(5)之后；工作时，RF微波发生装置(11)、主磁场线圈(6)和集成化泵浦激光器(5)产生的抽运光同时作用于内嵌富勒烯晶体(10)，主磁场线圈(6)先加一个大于500G的均匀稳定的强磁场，耦合内嵌原子的电子自旋和核自旋，然后磁场调弱至小于10G，以检测自旋进动；
所述内嵌原子自旋信号检测部分(44)包括荧光检测装置(12)、集成化检测光激光器(7)、检测光综合控制光电模块(46)；荧光检测装置(12)由若干荧光检测光电探测器组成，根据内嵌富勒烯晶体(10)的体积和形状用荧光检测CCD进行信号的检测，该信号给出作为基于Berry相原理的陀螺进动角速度信号；所述检测光综合控制光电模块(46)包括一个检测光激光器(7)，受检测光稳频控制电路(26)和检测光功率稳定控制电路(29)反馈的频率、功率稳定信号控制，产生功率稳定的检测光，用于光旋转法检测信号；基于偏振光旋转法检测得到的自旋进动角信号中包含两部分信号：磁场引起的内嵌原子自旋进动信号和内嵌富勒烯晶体(10)旋转引起的内嵌原子自旋进动信号；结合基于几何相，即Berry相原理的陀螺进动角速度信号实现基于偏振光旋转法检测得到的信号中惯性测量信号和磁场测量信号的解耦，分别输出磁场信号和惯性测量旋转角速度信号，磁场信号用于反馈回地磁补偿模块(1)实现高精度磁场补偿，惯性测量信号用于反馈回伺服框架(2)实现对惯性坐标系的跟踪；
地磁场补偿模块(1)包括三维地磁场补偿线圈和地磁场补偿控制电路，其中三维地磁场补偿线圈在富勒烯分子陀螺的最外层，用于补偿地磁场，三维地磁场补偿线圈包括3组两两正交的亥姆赫兹线圈；地磁场补偿控制电路输出控制三维地磁场补偿线圈中的电流以补偿磁场，其控制输入量为内嵌原子综合操控检测模块(3)输出的磁场测量信号，地磁场补偿精度由测量得到的内嵌原子磁场测量灵敏度决定；
伺服框架(2)位于三维地磁场补偿线圈内，伺服框架(2)内安装内嵌原子综合操控检测模块(3)；伺服框架(2)包括机械框架和伺服电机，机械框架由伺服电机控制，伺服电机的输入为内嵌原子综合操控检测模块(3)输出的惯性测量旋转角速度信号，伺服电机的输出力矩控制机械框架使之跟踪惯性坐标系，机械框架跟踪惯性坐标系的精度由内嵌原子惯性测量旋转角速度的灵敏度决定。
2.根据权利要求1所述的富勒烯分子陀螺，其特征在于：所述抽运光综合控制光电模块(45)包括实现控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率的多种光学元器件和控制电路；集成化泵浦激光器(5)发出的抽运光先通过抽运光光隔离器(14)，再通过抽运光针孔(15)，抽运光光隔离器(14)防止后面光学元器件的反射光进入集成化泵浦激光器(5)影响其性能，抽运光针孔(15)将抽运光除单模以外的其它横模都滤除掉；然后抽运光经第一分光镜(38)，分出一束抽运光用于频率稳定，用于稳定频率的抽运光先通过抽运光稳频F-P腔(16)，抽运光稳频F-P腔(17)的出射光进入抽运光稳频光电探测器(18)检测光束频率的变化，抽运光稳频控制器(16)产生频率控制信号反馈回激光器(5)；由第一分光镜(38)分出的另一束抽运光继续通过第二分光镜(39)分出一束抽运光用于功率稳定控制，用于抽运光功率稳定控制的光束入射抽运光功率检测光电探测器(20)，检测信号输入抽运光功率稳定控制器(19)，抽运光功率稳定控制器(19)反馈功率稳定控制信号至集成化泵浦激光器(5)；由第二分光镜分出的另一束抽运光先后通过抽运光格氏透镜(21)和抽运光1/4玻片(22)得到高质量的圆偏振抽运光，然后通过内嵌富勒烯晶体(10)极化原子自旋，最后入射抽运光饱和吸收检测光电探测器(23)用于检测饱和吸收状态，抽运光饱和吸收检测光电探测器(23)连接抽运光饱和吸收检测控制器(37)，产生功率控制信号反馈回集成化泵浦激光器(5)，控制抽运光功率使富勒烯晶体(10)处于饱和吸收状态。
3.根据权利要求1所述的富勒烯分子陀螺，其特征在于：所述检测光综合控制光电模块(46)包括控制抽运光光束质量、偏振质量和实现抽运光稳频稳功率以及用于法拉第调制检测的多种光学元器件和控制电路，检测光激光器(7)产生检测光后检测光先通过检测光光隔离器(24)，再通过检测光针孔(25)；然后检测光经由第三分光镜(40)分出一束光用于频率稳定，用于频率稳定的光束通过检测光稳频F-P腔(28)，然后入射检测光稳频光电探测器(27)，其输出的光强信号输入检测光稳频控制器(26)，检测光稳频控制器(26)输出反馈回检测光激光器(7)实现稳频；检测光通过第三分光镜(40)后分出的另一束光经由第四分光镜(41)再次分出一束用于功率稳定；用于功率稳定的光束入射检测光功率稳定光电探测器(30)，产生的光强信号输入检测光功率稳定控制器(29)，检测光功率稳定控制器(29)反馈功率稳定信号至检测光激光器(7)；由第四分光镜(41)分出的另一束光作为最后透射内嵌富勒烯晶体(10)的检测光，进入偏振光法拉第调制检测模块进行偏振方向的调制以便于内嵌原子自旋进动角的检测；检测光束经第四分光镜(41)分出后先后通过检测光起偏格氏透镜(31)和法拉第调制器(8)，对检测光偏振方向进行调制后透射内嵌富勒烯晶体(10)，然后通过检测光检偏格氏透镜(34)；检测光起偏格氏透镜(31)和检测光检偏格氏透镜(34)安装时要求二者的光轴方向相互严格正交；法拉第调制器(8)对偏振光偏振方向进行调制，用法拉第调制器温度控制器(32)控制法拉第调制器(8)中的法拉第磁光晶体温度，以致磁光晶体维尔德系数的随温度的漂移；最后入射检测光偏振检测光电探测器(13)，其输出通过内嵌原子自旋进动角检测电路(35)运算获取内嵌原子自旋敏感到的磁场和惯性旋转角速度信号，结果输入法拉第调制器驱动控制器(36)，由法拉第调制器驱动控制器(36)输出反馈控制信号给法拉第调制器(8)、伺服框架(2)实现检测光偏振转角的零位测量和伺服框架跟踪惯性坐标系。
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