CN105783902A - 一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，首先采用高斯光束光源产生一束准直的高斯光束，依次经过2π位相板和透镜，产生一束聚焦的空心光束；其次将装载到空心金属光纤中的冷原子制备在第i内态上，冷原子在光学偶极力作用下沿环形空心金属光纤轴线运动，经过时间t演化后，原子将以一定概率处在第i内态上，通过探测原子在第i内态的概率就可以拟合出空心金属光纤的旋转角速度Ω_rot信息。本发明是基于空心金属光纤原子导引原理实现的新型角速度测量方法，具有高重频，连续测量和矢量测量等优点，能够广泛用于惯性导航、姿态控制、方位基准、机器人、生物医学和环境检测等高新技术领域。

Description

一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法

技术领域

本发明涉及角速度测量领域，特别是一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，可以实现高精度角速度测量，具有高重频，连续测量和矢量测量等优点，能够广泛用于惯性导航、姿态控制、方位基准、机器人、生物医学和环境检测等高新技术领域。

背景技术

自1910年船载指北陀螺罗经发明以来，陀螺仪的发展有近100多年。纵观陀螺发展历史，其历程大体可以归结为以下几个最具代表性阶段：20世纪30年代以前，陀螺仪是以滚珠轴承来支撑陀螺马达和框架的机械式陀螺，其摩擦力矩大、精度低，主要用于测量载体的姿态角；40年代末到50年代，出现了液浮、气浮支撑陀螺，达到了惯性级别，在此阶段也提出了静电陀螺、挠性陀螺等一些新概念陀螺；60年代后，发展了动力调谐陀螺；进入70年代以后，出现了激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺等非转子式的固体陀螺仪；近几年，随着微机电的发展，出现了硅微陀螺仪、MEMS陀螺仪。近年来，随着原子光学实验技术的进步，出现了以原子干涉陀螺仪、核磁共振陀螺仪和无自旋交换弛豫(SERF)陀螺仪等几种高精度陀螺为代表的原子陀螺。

陀螺仪作为角速度敏感元件在惯性导航中占据主导地位，其性能的优劣直接决定了惯性制导及测量精度的高低。目前可实现的高精度角速度测量方案多种多样，但是在测量精度和工程实现上都存在各种各样的问题。例如激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺仪等，虽然体积小，但测量精度较低；原子干涉陀螺测量精度高，但是在工程化方面，成熟度低，体积庞大且不能实现连续测量。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，可广泛用于惯性导航、姿态控制、方位基准、机器人、生物医学和环境检测等高新技术领域的新型角速度测量方法。

本发明的技术方案是：一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，步骤如下：

1)将高斯光束光源放置于2π位相板的前面，固定在待测物体上，用于产生准直的高斯光束；

2)将2π位相板放置于高斯光束光源后面，固定在待测物体上，产生的高斯光束经过2π位相板后形成具有高斯轮廓分布的空心光束；

3)将透镜放置于2π位相板的后面，固定在待测物体上，产生的高斯轮廓分布的空心光束经过透镜汇聚后，形成具有高斯轮廓分布的聚焦的空心光束，用于在空心金属光纤中产生TE₀₁模式的空心光束；

4)将冷原子源放置于透镜后面，固定在待测物体上，通过激光冷却方法产生冷原子，聚焦的空心光束将冷原子装载到空心金属光纤中进行传输；

5)空心金属光纤放置于冷原子源后面，固定在待测物体上，将空心金属光纤沿冷原子传输方向为切线方向向上弯曲成3/4圆弧形状，用于传输冷原子；

6)在空心金属光纤上开有一小口，探测器固定在待测物体上，且放置于空心金属光纤开口处，用于探测冷原子处在第i个内态的概率P_i，i＝1，2，3…；

7)根据步骤6)探测到的冷原子处在第i个内态的概率P_i，反演并得到角速度。

8)原子气室放置于空心金属光纤末端，用于收集经过3/4圆弧空心金属光纤传输后的冷原子。

步骤6)中探测的具体方法为：

61)第i探测器响应频率对应第i内态的共振频率，用第i个探测器探测，探测到的能量为W_i，计算处在第i内态的冷原子数目n＝W_i/E_i，其中E_i为第i内态的本征能量；

62)通过计算P_i＝n/N，得到第i内态的概率P_i，其中N为总的冷原子数目。

步骤7)中反演的具体方法为：

71)如果待测物体的转动方向和原子运动方向相同，通过得到待测物体转动的角速度Ω_rot，其中m为每个冷原子质量，h为普朗克常数，R为空心金属光纤的曲率半径，v_z”为冷原子的切向速度，t为演化时间，ω₁为冷原子在TE₀₁模式的空心光束中的等效角频率，且其中C为入射光功率密度，Γ为冷原子的自然线宽，u₀₁为TE₀₁模式的空心光束的特征常数，δ为TE₀₁模式的空心光束相对冷原子共振频率的失谐量，I_s为冷原子的饱和吸收强度；

72)如果待测物体的转动方向和原子运动方向相反，通过计算得到待测物体转动的角速度Ω_rot。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结合了原子干涉陀螺和光纤陀螺特点，类似原子干涉陀螺首先制备冷原子源，保持了传统磁光阱的光学系统，类似光纤陀螺，传输介质由光变成原子，在光纤陀螺整体外观形状不变的基础上进行部分结构的局部调整即可，工程实现上较为简单；

(2)本发明与原子干涉陀螺相比，不仅可以实现高精度角速度测量，还具有高重频，连续测量和矢量测量等优点；

(3)本发明与现有的其他小体积陀螺相比，角速度测量精度较高。

(4)当待测物体的转动方向和原子运动方向相同或相反时，本发明都能实现待测物体的转动角速度测量。

附图说明

图1为本发明基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法装置图；

具体实施方式

空心光纤原子导引概念最早是在1993年，由俄罗斯M.A.Ol’Shanii等人提出，该概念是采用红失谐高斯模式的激光场来导引中性原子；1994年，澳大利亚S.Marksteiner等人基于蓝失谐消逝波光场也提出了原子导引方案。1995年，美国JILA的Cornell小组在实验上首次完成了上述两种导引方法的实验验证。随后就出现了一系列相关的理论和实验研究，并随之出现了原子导引技术在原子光学器件中的一系列应用，诸如原子漏斗、原子刻印和原子透镜、原子分束器和全光开关等。原子导引的一个重要意义在于可以实现原子的灵活操作，因此本发明凭借该技术，用于角速度测量。本发明是基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，具备一定的技术基础，系统实现简单。下面将结合附图对本发明一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法的具体实施方式做进一步详细的说明，如图1所示，本发明包括高斯光束光源、2π位相板、透镜、冷原子源、空心金属光纤、探测器、原子气室。

首先，将高斯光束光源放置于2π位相板的前面，固定在待测物体上，通过调节高斯光束光源和2π位相板的距离和位置，产生准直的高斯光束；将2π位相板放置于高斯光束光源后面，固定在待测物体上，产生的高斯光束经过2π位相板后形成具有高斯轮廓分布的空心光束；将透镜放置于2π位相板的后面，固定在待测物体上，通过调节2π位相板和透镜的距离和位置，产生的高斯轮廓分布的空心光束经过透镜汇聚后，形成具有高斯轮廓分布的聚焦的空心光束，用于在空心金属光纤中产生TE₀₁模式的空心光束；将冷原子源放置于透镜后面，固定在待测物体上，通过激光冷却方法产生冷原子，聚焦的空心光束将冷原子装载到空心金属光纤中进行传输；空心金属光纤放置于冷原子源后面，固定在待测物体上，沿冷原子传输方向为切线方向，向上弯曲成3/4圆弧形状，用于传输冷原子，并且在A位置的入射端口处，调节空心金属光纤位置，使冷原子正入射进入空心金属光纤；在空心金属光纤上开有一小口，探测器固定在待测物体上，且放置于空心金属光纤开口处，用于探测冷原子处在第i个内态的概率P_i(i＝1，2，3…，i，…n)；

探测的具体方法为：第i探测器响应频率对应第i内态的共振频率，用第i个探测器探测，探测到的能量为W_i，计算处在第i内态的冷原子数目n＝W_i/E_i，其中E_i为第i内态的本征能量；通过计算P_i＝n/N，其中N为总的冷原子数目，可以得到第i内态的概率P_i；

根据探测到的冷原子处在第i个内态的概率P_i，反演并得到待测物体转动的角速度，具体方法为：如果待测物体的转动方向和原子运动方向相同，通过计算得到待测物体转动的角速度Ω_rot。其中m为冷原子质量，h为普朗克常数，R为空心金属光纤的曲率半径，v_z”为冷原子的切向速度，t为演化时间，ω₁为冷原子在TE₀₁模式的空心光束中的等效角频率，且其中C为入射光功率密度，Γ为冷原子的自然线宽，u₀₁为TE₀₁模式的空心光束的特征常数，δ为TE₀₁模式的空心光束相对冷原子共振频率的失谐量，I_s为冷原子的饱和吸收强度。如果待测物体的转动方向和原子运动方向相反，通过计算得到待测物体转动的角速度Ω_rot。

最后，原子气室放置于空心金属光纤末端，用于收集经过3/4圆弧空心金属光纤传输后的冷原子。

本发明基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法要求产生的聚焦的空心光束沿空心金属光纤轴线附近传输，提高光束利用效率和原子的装载效率。因此需要调节高斯光束光源、2π位相板、透镜、冷原子源和空心金属光纤尽量共轴放置。如图1所示为本发明基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法中各部件放置规律，实现该方法构造的系统中包括高斯光束光源、2π位相板、透镜、冷原子源、空心金属光纤。

其中高斯光束光源、2π位相板、透镜、冷原子源、空心金属光纤共轴放置，同时都固定在待测物体上，实现冷原子的传输。本发明测量方法可以用来调节本发明光路，以确保测量结果的稳定性和准确性，且不需要移动原有的光学器件，简单易行。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，其特征在于步骤如下：

1)将高斯光束光源放置于2π位相板的前面，固定在待测物体上，用于产生准直的高斯光束；

2)将2π位相板放置于高斯光束光源后面，固定在待测物体上，产生的高斯光束经过2π位相板后形成具有高斯轮廓分布的空心光束；

3)将透镜放置于2π位相板的后面，固定在待测物体上，产生的高斯轮廓分布的空心光束经过透镜汇聚后，形成具有高斯轮廓分布的聚焦的空心光束，用于在空心金属光纤中产生TE₀₁模式的空心光束；

4)将冷原子源放置于透镜后面，固定在待测物体上，通过激光冷却方法产生冷原子，聚焦的空心光束将冷原子装载到空心金属光纤中进行传输；

5)空心金属光纤放置于冷原子源后面，固定在待测物体上，将空心金属光纤沿冷原子传输方向为切线方向向上弯曲成3/4圆弧形状，用于传输冷原子；

6)在空心金属光纤上开有一小口，探测器固定在待测物体上，且放置于空心金属光纤开口处，用于探测冷原子处在第i个内态的概率P_i，i＝1，2，3…；

7)根据步骤6)探测到的冷原子处在第i个内态的概率P_i，反演并得到角速度。

8)原子气室放置于空心金属光纤末端，用于收集经过3/4圆弧空心金属光纤传输后的冷原子。

2.根据权利要求1所述的一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，其特征在于：步骤6)中探测的具体方法为：

61)第i探测器响应频率对应第i内态的共振频率，用第i个探测器探测，探测到的能量为W_i，计算处在第i内态的冷原子数目n＝W_i/E_i，其中E_i为第i内态的本征能量；

62)通过计算P_i＝n/N，得到第i内态的概率P_i，其中N为总的冷原子数目。

3.根据权利要求2所述的一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，其特征在于：步骤7)中反演的具体方法为：

71)如果待测物体的转动方向和原子运动方向相同，通过得到待测物体转动的角速度Ω_rot，其中m为每个冷原子质量，h为普朗克常数，R为空心金属光纤的曲率半径，v_z”为冷原子的切向速度，t为演化时间，ω₁为冷原子在TE₀₁模式的空心光束中的等效角频率，且其中C为入射光功率密度，Γ为冷原子的自然线宽，u₀₁为TE₀₁模式的空心光束的特征常数，δ为TE₀₁模式的空心光束相对冷原子共振频率的失谐量，I_s为冷原子的饱和吸收强度；

72)如果待测物体的转动方向和原子运动方向相反，通过计算得到待测物体转动的角速度Ω_rot。