CN104266640B - 基于混合自旋交换光泵浦的nmrg信号增强方法 - Google Patents

基于混合自旋交换光泵浦的nmrg信号增强方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种原子核磁共振陀螺信号增强方法，通过在原子池中加入自旋交换中介物质，提高原子池内惰性气体的极化率，从而增强原子陀螺探测信号强度，属于原子物理领域。本发明通过在原子池充入碱金属、缓冲气体和惰性气体原子的基础上，再充入一种自旋交换中介物质，碱金属原子极化后通过碰撞作用将极化几乎全部传递给自旋交换中介物质，中介物质再将极化传递给惰性气体原子，从而极大的提高惰性气体原子的极化率，在不影响随机游走的前提下，增强陀螺信号强度，提高原子核磁共振陀螺的性能。

Description

基于混合自旋交换光泵浦的NMRG信号增强方法
技术领域
本发明涉及一种增强原子核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyro,orNMRG)信号强度的方法，通过在原子池中加入自旋交换中介物质，提高原子池内惰性气体的极化率，从而增强原子陀螺探测信号强度，属于原子物理领域。
背景技术
随着量子理论、原子操控、微加工技术以及现代光学的飞速发展，芯片级原子传感器件在现代科学和技术中得到越来越广泛的应用和关注，从对人类大脑的研究(核磁共振成像)到对运动物体的导航级精确测量(原子核磁共振陀螺)都能发现他们的身影。国内外越来越多的单位也相继开展了原子钟，原子加速度计，原子磁力仪，原子核磁共振陀螺等芯片级原子传感器件的研究。在这些原子器件中，原子池是它们的核心组成部分。一般地，原子池内包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体，根据不同的应用要求，原子钟等是通过光抽运极化碱金属原子直接作为敏感原子；原子核磁共振陀螺和原子磁力仪则是通过光抽运极化碱金属，再经过自旋碰撞交换作用，将碱金属极化传递给惰性气体原子。惰性气体原子在磁场下作拉摩尔进动，在不同的载体转动角速度或环境磁场下，探测光提取到的惰性气体拉摩尔进动频率产生频移，进而得到载体转动角速度或环境磁场强度。其中原子核磁共振陀螺的基本原理为：
在静磁场作用下，具有非零自旋角动量的原子绕静磁场方向产生进动，进动频率:
其中γ为原子的旋磁比，为拉莫尔进动频率。当原子陀螺工作系统绕静磁场以角速度转动时，观测到的进动频率：
式(2)中为已知量，因而可以得到原子陀螺工作系统绕方向的旋转角速度为了使原子池内大量原子具有宏观磁化矢量并降低磁场不稳定性的影响，通常采用光泵浦(Optical Pumping)技术，使用碱金属跃迁谱线(如87Rb的D1线对应激光波长为795nm)对应频率的激光照射原子池，使碱金属原子吸收光子后产生极化，再通过自旋交换(Spin Exchange)作用将极化传递给惰性气体(如129Xe和131Xe)原子，通过惰性气体原子来敏感外界转动角速度。原子核磁共振陀螺(NMRG)的探测信号为通过碱金属原子(如87Rb)探测到的惰性气体原子(如129Xe和131Xe)进动产生的磁场：
从公式(3)可以看出，探测信号强度正比于惰性气体原子的密度NXe和极化率PXe，因此，可以通过提高惰性气体原子的密度和极化率来提高信号强度。
但提高原子池内惰性气体原子的密度，会增加其与内壁碰撞的概率，从而减小惰性气体原子的横向弛豫时间T2，增大原子核磁共振陀螺的角度随机游走：
因此要提高原子核磁共振陀螺的性能，提高探测信号强度，为了保证角度随机游走值不变，无法通过提高惰性气体原子密度的方法来实现，而是要通过提高惰性气体原子(如129Xe和131Xe)的极化率PXe。
美国Northrop Grumman公司的一篇专利(Nuclear Magnetic ResonanceGyroscope,US Patent 4430616-27)中提出一种采用双碱金属(铷和铯)的原子核磁共振陀螺，来提高惰性气体原子极化率。但一方面该专利中指出需要采用两种碱金属跃迁谱线对应的两种不同频率的激光光源进行泵浦，增加了系统结构设计的复杂性；另一方面碱金属铷和铯与惰性气体的自旋交换碰撞截面较小，传递效率低，两种碱金属结合起来只能够极化百分之几的惰性气体原子，效果不是很理想；另一篇专利(Small Optics Cell ForMiniature Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,US Patent 7863894B2)中提到采用单个激光器完成泵浦和探测，简化了系统结构，便于小型化设计，但没有提高惰性气体原子的极化率，对的原子陀螺探测信号强度没有提高。
本发明在原子核磁共振陀螺中引入混合自旋交换光泵浦(Hybrid Spin ExchangeOptical Pumping,HySEOP)技术。HySEOP的基本原理为：在原子池内充入碱金属、缓冲气体和惰性气体原子的基础上，再充入一种自旋碰撞交换中介物质(如K原子或其他与惰性气体自旋交换碰撞截面较大的原子)，采用碱金属跃迁谱线(如87Rb的D1线)对应频率的激光光源泵浦，使碱金属原子极化，再通过碰撞作用将极化几乎全部传递给自旋碰撞交换中介物质(如K原子或其他与惰性气体自旋交换碰撞截面较大的原子)，最后通过该自旋碰撞交换中介物质将极化传递给惰性气体原子。用碱金属直接将极化传递给惰性气体原子时，只能使惰性气体原子达到非常小的极化率(例如当使用铷直接将极化传递给惰性气体原子时的极化率为2％)，而通过交换中介物质，可以极大的提高惰性气体原子的极化率(例如当加入K原子作为交换中介物质时可以将极化率提高到23％)。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于混合自旋交换光泵浦(HySEOP)技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，通过在原子池中加入自旋碰撞交换中介物质，在不改变惰性气体原子密度的情况下，提高其极化率，从而在保证随机游走的前提下，增强原子核磁共振陀螺的信号强度即信噪比，极大地提高了原子核磁共振陀螺的性能。
本发明所采用的技术方案是：一种基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，该方法通过如图1所示由真空充气系统和原子陀螺工作系统两部分组成的装置实施，具体包括以下步骤：
S1：制作原子池；
S2：对原子池抽真空，同时以300度以上高温烘烤原子池，烘烤时间一周左右；
S3：在原子池内真空度达到10-5托尔以下后，将泵浦碱金属原子(例如铷原子或铯原子)和自旋碰撞交换中介物质(例如K原子或其他与惰性气体自旋交换碰撞截面较大的原子)依次充入原子池；
S4：按照预先设计的比例，依次在原子池中充入惰性气体原子几托尔、缓冲气体以及淬灭气体原子几十至几百托尔；
S5：待充气完成后，对原子池进行熔融密封，经熔融密封后的原子池带有一个原子池柄；
S6：将熔融密封后的原子池以150摄氏度的温度加热3至5天进行老化；
S7：老化后原子池中的过量碱金属原子和自旋交换中介物质将储存在原子池柄中，将原子池放入原子陀螺工作系统中的磁屏蔽罩内，通过无磁加热片将原子池加热至工作温度(80-130)摄氏度；
S8：采用与碱金属跃迁谱线对应频率的窄线宽高功率半导体激光器对碱金属原子进行泵浦，所述窄线宽高功率半导体激光器发出的光经过起偏器后成为线偏振光，所述线偏振光经过分光器分成两路：一路光经过波片后变为圆偏振光沿横向照射原子池，在磁场线圈产生稳恒磁场的共同作用下，泵浦碱金属原子使其极化，由于泵浦碱金属原子与惰性气体原子之间的极化传递效率很小(例如铷原子传递给惰性气体原子129Xe的极化传递效率为2％左右)，而碱金属原子与自旋碰撞交换中介物质间的极化传递效率非常高(通常达到100％)，因此在碱金属原子将自身极化传递给自旋碰撞交换中介物质后，由自旋碰撞交换中介物质再将自身极化传递给惰性气体原子，可以极大的提高惰性气体原子的极化率(例如加入K原子作为自旋碰撞交换中介物质后可以将极化率提高到23％)；
另一路光经过一号反射镜进行反射并经衰减器衰减后再由二号反射镜进行反射，此时光路变为与第一路光传播的方向垂直，即该路光沿纵向照射原子池，通过原子池后透射的光经三号反射镜反射后通过光电探测器采集到电脑中，在电脑中分析碱金属对光强的吸收得到原子池内惰性气体原子的进动信息，进而解调出原子陀螺工作系统相对于惯性空间的转动角速度。
由公式(3)可知探测信号强度正比于惰性气体原子的密度NXe和极化率PXe，通过加入自旋碰撞交换中介物质，可以使惰性气体原子达到较高的极化率，从而实现原子核磁共振陀螺信号强度的增强。
进一步地，所述步骤S1中制作原子池的方法如下：采用耐高温的高硼硅玻璃材料，利用吹玻璃技术加工出直径8mm-100mm的球形原子池(球形内部磁场分布均匀)；
进一步地，所述步骤S1中制作原子池的方法如下：采用微加工技术在硅基片上利用深反应离子刻蚀和阳极键合方法加工出直径近似为900μm的球形原子池；
进一步地，根据通光及加热要求将原子池加工为圆柱形；
进一步地，根据通光及加热要求将原子池加工为正方形；
因此，采用混合自旋交换光泵浦(HySEOP)，相对于原子自旋陀螺中使用的自旋交换光泵浦(Spin Exchange Optical Pumping,SEOP)技术，可以极大的提高惰性气体原子的极化传递效率(加入K原子可以从2％提高到23％左右)，在同样的惰性气体原子密度下，将原子核磁共振陀螺的探测信号强度提高了十倍左右。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过采用基于混合自旋交换光泵浦(HySEOP)技术，与双碱金属原子陀螺相比，不需要增加泵浦光源，从而不影响原子核磁共振陀螺光路系统；
2.在不改变惰性气体原子密度的前提下，通过加入自旋碰撞交换中介物质，极大地提高惰性气体原子的极化率，从而在保证原子陀螺随机游走较小的前提下，提高其探测信号的强度，对提高原子核磁共振陀螺的性能具有重要意义。
附图说明
图1为基于混合自旋交换光泵浦(HySEOP)技术的NMRG装置结构组成图。
图中：A.加热炉，B.原子池架，C.真空管道，D.分子泵，E.离子泵，F.气体钢瓶，
14.原子池，15.原子池柄，16.激光器，17.起偏器，18.分光器，191.一号反射镜，192.二号反射镜，193.三号反射镜，20.波片，21.衰减器，22.磁场线圈，23.磁屏蔽罩，24.光电探测器
图2为光泵浦(Optical Pumping)技术原理图；
图中：1.碱金属原子基态能级2S1/2，2.激发态能级2P1/2，3.子能级ms＝-1/2，4.子能级ms＝1/2，5.子能级mJ＝-1/2，6.子能级mJ＝1/2，7.能级粒子，8、9.自发辐射概率
图3为自旋碰撞交换(Spin Exchange)技术原理图；
图中：10.碱金属原子，11.惰性气体原子，12.缓冲气体原子，13.自旋交换中介物质原子
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
本发明所述基于混合自旋交换光泵浦(HySEOP)技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，该方法通过以下三种物理机理提高原子池内惰性气体原子的极化率，从而增强原子核磁共振陀螺的信号强度：
第一种物理机理是光泵浦(Optical Pumping)作用，通过采用泵浦碱金属原子吸收谱线对应频率的激光照射原子池，使泵浦碱金属原子吸收特定激光频率的光子后，原子能级的粒子布局数发生转移，完成碱金属原子的极化；
第二种物理机理是自旋交换(Spin Exchange)碰撞作用，包括泵浦碱金属原子与自旋碰撞交换中介物质的二元碰撞(Binary Collisions)自旋交换作用，以及碱金属原子、缓冲气体(如氮气)原子和惰性气体原子形成的范德瓦尔斯(Van der Waals)结构体自旋交换作用，在光泵浦碱金属原子极化后，可以通过二元碰撞自旋交换作用，使自旋碰撞交换中介物质达到接近100％的极化率；
第三种物理机理是混合自旋交换光泵浦(HySEOP)作用，在前两种物理机理作用的前提下，缓冲气体原子使泵浦碱金属原子吸收谱线展宽，从而在泵浦光照射下，维持约为100％的极化率，从而形成两种传递机制，一种为泵浦碱金属原子、缓冲气体(如氮气)原子和惰性气体原子形成的范德瓦尔斯结构体自旋交换作用，可以将少量的极化通过泵浦碱金属原子直接传递给惰性气体原子(铷为2％)，另一种为泵浦碱金属原子将极化传递给自旋碰撞交换中介物质，再通过自旋碰撞交换中介物质将极化传递给惰性气体原子，由于自旋碰撞交换中介物质和惰性气体原子具有较大的自旋碰撞交换截面，可以将极化较多的传递给惰性气体原子，最后表现出的综合效果就是极大地提高了惰性气体原子的极化率。
为了更清楚地阐述本发明所述技术方案的作用原理，下面分别对原子池内原子间极化传递的三种物理机理进行具体分析。第一种物理机理——光泵浦(Optical Pumping)的技术原理如图2所示，采用特定频率的激光照射碱金属时，若是左旋圆偏振光(σ+＝1)对应碱金属能级粒子间△mF＝1的跃迁。当碱金属原子吸收一个光子后，基态能级1子能级3(ms＝-1/2上)上的粒子会跃迁到激发态能级2子能级6(mJ＝1/2)上，粒子在激发态能级混合均与分布后，会以相同的概率8(50％)自发辐射到基态能级1上，随着碱金属原子不断吸收光子，子能级3上的粒子不断被抽运到高能级，再等概率辐射到基态能级上，最后基态子能级3(ms＝-1/2上)上粒子会全部被搬运到子能级4(ms＝1/2)上，达到碱金属原子的宏观极化。
图3所示为第二种物理机理——自旋碰撞交换(Spin Exchange)的技术原理图：极化的碱金属(87Rb)原子10与惰性气体(如129Xe)原子11以及缓冲气体(氮气)原子共同形成范德瓦尔斯(Van der Waals)结构体，通过相互作用，最终将碱金属原子10的极化传递给惰性气体原子11，但传递效率不高，约为2％作用。碱金属原子10与自旋交换中介物质原子13发生二元碰撞(Binary Collisions)，将极化传递给中介物质原子，传递效率可以接近100％(如87Rb与K直接的传递可以达到100％)。
本发明所述方法通过图1所示装置加以实施，图1所示装置由真空充气系统AA和原子陀螺工作系统BB两部分组成：
将加工好的原子池14连接在真空充气系统AA的原子池支架B上；控制加热炉A在以300度高温烘烤原子池14的同时，用分子泵D和离子泵E配合对原子池14进行抽真空，使原子池14内真空度达到10-5托尔以下；然后将泵浦碱金属原子(例如铷原子或铯原子)和自旋碰撞交换中介物质(例如K原子或其他与惰性气体自旋交换碰撞截面较大的原子)依次充入原子池14；再由气体钢瓶F通过真空管道C依次在原子池中充入惰性气体原子、缓冲气体以及淬灭气体原子(通常充入惰性气体原子几托尔、缓冲气体以及淬灭气体原子几十至几百托尔)；然后将原子池14从真空充气系统AA上取下，熔融密封后以150度的温度对其加热3至5天进行老化，熔融密封后的原子池带有一个原子池柄15；
原子陀螺工作系统BB与美国Northrop Grumman公司专利(Small Optics CellFor Miniature Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,US Patent 7863894B2)中的装置类似，老化后原子池14中的过量碱金属原子和自旋交换中介物质将储存在原子池柄15中；然后将原子池14放入原子陀螺工作系统BB的磁屏蔽罩23中磁场线圈22的中心位置，所述磁屏蔽罩23起到屏蔽外界磁场的作用；
采用与碱金属跃迁谱线对应频率的窄线宽高功率半导体激光器16对碱金属原子进行泵浦，所述窄线宽高功率半导体激光器16发出的光经过起偏器17后成为线偏振光，所述线偏振光经过分光器18分成两路：一路光经过波片20后变为圆偏振光沿横向照射原子池14，在磁场线圈22产生稳恒磁场的共同作用下，泵浦碱金属原子使其极化，由于泵浦碱金属原子10与惰性气体原子11之间的极化传递效率很小(例如铷原子传递给惰性气体原子129Xe的极化传递效率为2％左右)，而碱金属原子10与自旋碰撞交换中介物质13间的极化传递效率非常高(通常达到100％)，因此在碱金属原子10将自身极化传递给自旋碰撞交换中介物质13后，由自旋碰撞交换中介物质13再将自身极化传递给惰性气体原子11，可以极大的提高惰性气体原子11的极化率(例如加入K原子作为自旋碰撞交换中介物质后可以将极化率提高到23％)；
另一路光经过一号反射镜191对光进行反射并经衰减器21衰减后再由二号反射镜192对光进行反射，此时光路变为与第一路光传播的方向垂直，即该路光沿纵向照射原子池14，通过原子池14后透射的光经三号反射镜193反射后通过光电探测器24采集到电脑中，通过在电脑中分析碱金属对光强的吸收得到原子池内惰性气体原子的进动信息，进而解调出原子陀螺工作系统BB相对于惯性空间的转动角速度。
与美国Northrop Grumman公司的两篇专利(US Patent 4430616-27，USPatent7863894B2)相比，本发明采用一个激光器来完成泵浦和探测，简化系统结构，同时通过在原子池中加入自旋碰撞交换中介物质，在不影响原子核磁共振陀螺角度随机游走的情况下，将光电探测器24探测到的原子陀螺工作系统BB相对于惯性空间的转动信号提高十倍左右，对提高原子核磁共振陀螺(NMRG)的性能具有重要意义。

Claims (7)

1.一种基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：制作原子池；
S2：对原子池抽真空，同时以300度以上高温烘烤原子池，烘烤时间一周；
S3：在原子池内真空度达到10-5托尔以下后，将泵浦碱金属原子和自旋碰撞交换中介物质依次充入原子池；
S4：按照预先设计的比例，依次在原子池中充入惰性气体原子几托尔、缓冲气体以及淬灭气体原子几十至几百托尔；
S5：待充气完成后，对原子池进行熔融密封，经熔融密封后的原子池带有一个原子池柄；
S6：将熔融密封后的原子池以150摄氏度的温度加热3至5天进行老化；
S7：老化后原子池中的过量碱金属原子和自旋交换中介物质将储存在原子池柄中，将原子池放入原子陀螺工作系统中的磁屏蔽罩内，通过无磁加热片将原子池加热至工作温度(80-130)摄氏度；
S8：采用与碱金属跃迁谱线对应频率的窄线宽高功率半导体激光器对碱金属原子进行泵浦，所述窄线宽高功率半导体激光器发出的光经过起偏器后成为线偏振光，所述线偏振光经过分光器分成两路：一路光经过波片后变为圆偏振光沿横向照射原子池，在磁场线圈产生稳恒磁场的共同作用下，泵浦碱金属原子使其极化，碱金属原子先将自身极化传递给自旋碰撞交换中介物质后，由自旋碰撞交换中介物质再将自身极化传递给惰性气体原子；
另一路光经过一号反射镜进行反射并经衰减器衰减后再由二号反射镜进行反射，此时光路变为与第一路光传播的方向垂直，即该路光沿纵向照射原子池，通过原子池后透射的光经三号反射镜反射后通过光电探测器采集到电脑中，在电脑中分析碱金属对光强的吸收得到原子池内惰性气体原子的进动信息，进而解调出原子陀螺工作系统相对于惯性空间的转动角速度。
2.一种如权利要求1所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：所述步骤S1中制作原子池的方法如下：采用耐高温的高硼硅玻璃材料，利用吹玻璃技术加工出直径8mm-100mm的球形原子池。
3.一种如权利要求1所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：所述步骤S1中制作原子池的方法如下：采用微加工技术在硅基片上利用深反应离子刻蚀和阳极键合方法加工出直径近似为900μm的球形原子池。
4.一种如权利要求1、2或3所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：根据通光及加热要求将原子池加工为圆柱形。
5.一种如权利要求1、2或3所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：根据通光及加热要求将原子池加工为正方形。
6.一种如权利要求1所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：所述泵浦碱金属为铷原子或铯原子。
7.一种如权利要求1所述基于混合自旋交换光泵浦技术的原子核磁共振陀螺信号增强方法，其特征在于：所述自旋碰撞交换中介物质为K原子或其他与惰性气体自旋交换碰撞截面较大的原子。
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