CN106017451B - 一种基于serf原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法 - Google Patents

一种基于serf原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，首先制作充有正压气体的内含碱金属的玻璃气室以及真空气室；加热烤箱，使碱金属气室温度达到SERF态所需要的温度；开始操作周期：对碱金属气室进行抽运；中断抽运，在垂直抽运方向作用90°射频脉冲；中断射频，在垂直抽运方向间隔进行两次探测光脉冲检测，由以上测得的实验数据可得到磁场强度；然后使用圆偏振光抽运一段时间后在垂直抽运方向进行探测光检测，由该步实验结果和测得的磁场强度进行补偿可得到高精度惯性角速率，结束抽运和检测。本发明的磁场测量和惯性测量是在同一实验设备和条件下进行，并利用测得的磁场补偿了由于干扰磁场引起的惯性角速率误差，提高了测量精度。

Description

一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，特别是一种在同一实验条件和同一套实验设备下分时测量磁场和惯性角速度的SERF原子器件的设计，可用于高精度的惯性地磁组合导航。
背景技术
国防军事需要高精度的惯性导航与制导系统以及极微弱的磁场测量技术。目前，陀螺仪精度难以提高成为了制约惯导系统性能提高的关键。现有的高精度陀螺仪主要有转子陀螺仪与光学陀螺仪，但遇到了精度进一步提高的技术瓶颈。随着量子调控技术的发展，基于SERF 原子自旋效应的惯性测量装置成为可能并得以原理验证，已经成为下一代超高精度惯性测量设备的发展方向，其基于原子自旋的定轴性和进动性测量角运动，具有超高精度、结构简单、体积小等优点。微弱磁场测量需要磁强计具有超高的灵敏度。目前，应用较为广泛的磁强计主要有磁通门磁强计、超导量子干涉磁强计和原子自旋磁强计，其中具有被动磁屏蔽系统的基于原子自旋效应的磁场测量装置取得了人类目前最高的磁场测量灵敏度。而基于主动磁补偿技术的无屏蔽SERF原子自旋磁强计技术也在逐渐发展。
基于SERF原子自旋效应的惯性测量装置和磁场测量装置具有超高的预期灵敏度，国内外多家研究机构开展了实验研究工作，但将二者集成一体的测量技术却未见报道，所以当需要同时测量磁场和惯性量时，磁场测量和惯性角速度测量往往要在两个实验条件下两套实验设备下进行，占用空间大，耗用资金高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，磁场测量和惯性测量是在同一实验设备和条件下进行，并利用测得的磁场补偿了由于干扰磁场引起的惯性角速率误差，提高了测量精度。
本发明的技术解决方案为：一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：磁场测量和惯性角速度测量在同一实验条件下进行而不是使用两套实验设备；磁场和惯性角速度的测量是相互分开的，分时交替进行，周期进行，其实现步骤如下：
(1)使用一束圆偏振光穿过碱金属气室(Z方向)对碱金属原子进行抽运，持续14～15ms；
(2)中断抽运，在垂直于抽运方向(X方向)作用90°射频脉冲，在赛曼共振频率下持续三到五个周期；
(3)中断射频脉冲，用线偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向进行第一次探测光脉冲检测，测量探测光偏振方向旋转角度，持续5～10个拉莫尔周期；
(4)间隔时间20～30个拉莫周期后，用线偏振光在y方向进行第二次探测光脉冲，测量探测光偏振方向旋转角度，持续5～10个拉莫尔周期，由第一次探测和第二次探测中探测光偏振方向第一次旋转了π角的时间t1、t2，及t1到t2期间探测光偏振方向旋转角达到π整数倍的次数m可通过计算得到磁场强度，B＝2πm/γTc，其中Tc＝t2-t1，γ为碱金属原子的电子自旋旋磁比；
(5)结束检测，然后使用圆偏振光在Z方向进行抽运，抽运14～15ms后在x方向用线偏振光进行探测光检测，测量探测光偏振方向旋转角度，同时抽运不中断，然后结束抽运和检测，步骤(4)计算出的磁场强度进行补偿得到高精度的惯性角速率，进行下一个周期的操作。
本发明的原理是：SERF原子自旋陀螺仪与原子磁强计的测量环境是相容的，SERF原子陀螺仪和原子磁强计都以碱金属气室为核心，都要求低磁场，并且SERF(无自旋交换弛豫) 态下也可以进行微弱磁场测量，两者并不冲突。所以可以在SERF原子自旋陀螺仪的实验条件下进行磁场测量，并且利用测量得到的磁场来补偿惯性角速度的误差积累。上文提到的操作周期的前四步是进行磁场测量，磁场测量的原理是：使用圆偏振光对碱金属气室进行抽运，使碱金属原子自旋被极化，自旋排列变得规则，但是由于存在磁场，碱金属原子自旋存在拉莫尔进动。在垂直于极化方向的方向上施加90度射频，使得碱金属进动角变大，进动角变为90度，从而原子仅在垂直于抽运方向的平面内自旋，并由于射频的作用，自旋同相。然后使用探测光在垂直于极化方向上进行探测，由于法拉第旋光效应，原子自旋方向与探测光不同的夹角会导致探测光偏振方向改变不同的角度。则探测光偏振方向旋转角的变化频率即为二倍的拉莫尔进动频率，因为拉莫尔进动频率与磁场成比例，则可以得到磁场大小。上文提到的操作周期的第五步是进行惯性角速率的测量，惯性角速率测量的原理是：由于实验载体相对于惯性空间存在角速率，由于原子自旋存在惯性将存在相对于惯性空间自旋方向不变的趋势，于是在抽运光和惯性共同的作用下，原子自旋与抽运方向存在与惯性角速率相关的夹角，由法拉第旋光效应，利用探测光偏振方向旋转的角度可以求得原子自旋与抽运方向的夹角，进而求得惯性角速率。
一般SERF原子陀螺仪在使用中存在干扰磁场，将每一个操作周期中磁场测量得到的磁场强度带入下面Bloch方程中的B，通过解算Bloch方程求解惯性角速率Ω，可达到补偿惯性角速率，提高惯性角速率测量精度的目的。
方程中各参数的物理含义为：γe：碱金属原子的电子自旋旋磁比；γn：惰性气体原子的核自旋旋磁比；碱金属原子的电子自旋极化率；惰性气体原子的核自旋极化率；Q：减慢因子；电子自旋感受到核自旋产生的磁场；核自旋感受到电子自旋产生的磁场；碱金属原子的光位移；载体系相对惯性系的转动角速度；抽运激光的光子角动量传递方位；Rp：抽运激光的光抽运率；Rm：检测激光的光抽运率，反映检测激光对电子自旋的极化作用；检测激光的光子角动量传递方位；核自旋抽运率，反映惰性气体原子核自旋对碱金属原子电子自旋的极化作用；电子自旋抽运率，反映碱金属原子电子自旋对惰性气体原子核自旋的极化作用；Rtot：碱金属原子电子自旋的总弛豫率；惰性气体原子核自旋的总弛豫率。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的磁场测量和惯性测量是在同一套实验设备和同一条件下进行的，因此大大减少了设备占有空间和资金消耗，并且每一个操作周期得到的磁场都用来补偿惯性角速率的测量，所以测量精度较高。
附图说明
图1为本发明的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法的流程图；
图2为本发明中基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：
1、制作充有正压的气体和真空条件的内含碱金属的玻璃气室以及真空气室，并置于如图2所示的烤箱9中，图2中的仪器设备分别为：1、DFB(分布反馈式)激光器，2、扩束镜，3、偏振器，4、1/4波片，5、平面反射镜，6、法拉第调制器，7、光电探测器，8、磁屏蔽桶，9、无磁恒温烤箱，10、碱金属气室。
2、加热烤箱，使碱金属气室温度达到实现SERF态所需要的温度。
3、打开抽运激光器对碱金属气室中的碱金属蒸汽进行抽运，持续14～15ms。
4、中断抽运，在垂直于抽运方向(X方向)作用90°射频脉冲，在赛曼共振频率下持续三到五个周期。
5、中断射频脉冲，用线偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向进行第一次探测光脉冲检测，持续5～10个拉莫尔周期。
6、间隔时间20～30个拉莫周期后，用线偏振光在y方向进行第二次探测光脉冲，持续 5～10个拉莫尔周期，由第一次探测和第二次探测中探测光偏振方向第一次旋转了π角的时间t1、t2，及t1到t2期间探测光偏振方向旋转角达到π整数倍的次数m，则可以求得气室内磁场强度B＝2πm/γTc，其中Tc＝t2-t1，γ为碱金属原子的电子自旋旋磁比。
7、结束检测，然后使用圆偏振光在Z方向进行抽运，抽运14～15ms后在X方向用线偏振光进行探测光检测同时抽运不中断，持续一段时间后结束检测，将得到的实验数据和之前测得的磁场强度B带入下面的方程可以得到惯性角速度Ω，回到步骤3。
方程中各参数的物理含义为：γe：碱金属原子的电子自旋旋磁比；γn：惰性气体原子的核自旋旋磁比；碱金属原子的电子自旋极化率；惰性气体原子的核自旋极化率；Q：减慢因子；电子自旋感受到核自旋产生的磁场；核自旋感受到电子自旋产生的磁场；碱金属原子的光位移；载体系相对惯性系的转动角速度；抽运激光的光子角动量传递方位；Rp：抽运激光的光抽运率；Rm：检测激光的光抽运率，反映检测激光对电子自旋的极化作用；检测激光的光子角动量传递方位；核自旋抽运率，反映惰性气体原子核自旋对碱金属原子电子自旋的极化作用；电子自旋抽运率，反映碱金属原子电子自旋对惰性气体原子核自旋的极化作用；Rtot：碱金属原子电子自旋的总弛豫率；惰性气体原子核自旋的总弛豫率。
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 (7)

1.一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：磁场测量和惯性角速率测量在同一实验条件下进行而不是使用两套实验设备；磁场和惯性角速率的测量是相互分开的，分时交替进行，周期进行，每一周期操作如下：
(1)使用一束圆偏振光穿过碱金属气室，即Z方向对碱金属原子进行抽运；
(2)中断抽运，在垂直于抽运方向，即X方向作用90°射频脉冲，在赛曼共振频率下持续一段时间；
(3)中断射频脉冲，用线偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向进行第一次探测光脉冲检测，测量探测光偏振方向旋转角度，持续一段时间；
(4)间隔一段时间后，用线偏振光在Y方向进行第二次探测光脉冲检测，测量探测光偏振方向旋转角度，持续一段时间，由第一次检测和第二次检测中探测光偏振方向第一次旋转了π角的时间t1、t2，及t1到t2期间探测光偏振方向旋转角达到π整数倍的次数m，计算得到磁场强度，B＝2πm/γeTc，其中Tc＝t2-t1，γe为碱金属原子的电子自旋旋磁比；
(5)结束检测，然后使用圆偏振光在Z方向进行抽运，抽运一段时间后在X方向用线偏振光进行探测光检测，检测的同时抽运不中断，测量探测光偏振方向旋转角度，然后结束抽运和检测，根据步骤(4)计算出的磁场强度B进行补偿得到高精度的惯性角速率，进行下一个周期的操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：步骤(5)中惯性角速率如下：SERF原子器件在使用中存在干扰磁场，将每一个操作周期磁场测量得到的磁场强度B代入下面Bloch方程中，通过解算Bloch方程求解惯性角速率Ω，
方程中各参数的物理含义为，γe：碱金属原子的电子自旋旋磁比；γn：惰性气体原子的核自旋旋磁比；碱金属原子的电子自旋极化率；惰性气体原子的核自旋极化率；Q：减慢因子；电子自旋感受到核自旋产生的磁场；核自旋感受到电子自旋产生的磁场；碱金属原子的光位移；载体系相对惯性系的转动角速度；抽运激光的光子角动量传递方位；Rp：抽运激光的光抽运率；Rm：检测激光的光抽运率，反映检测激光对电子自旋的极化作用；检测激光的光子角动量传递方位；核自旋抽运率，反映惰性气体原子核自旋对碱金属原子电子自旋的极化作用；电子自旋抽运率，反映碱金属原子电子自旋对惰性气体原子核自旋的极化作用；Rtot：碱金属原子电子自旋的总弛豫率；惰性气体原子核自旋的总弛豫率。
3.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中抽运持续14～15ms，步骤(5)中的抽运持续14～15ms后在X方向用线偏振光进行探测光检测。
4.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在赛曼共振频率下持续3-5个拉莫尔周期。
5.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，持续5～10个拉莫尔周期。
6.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，间隔时间20～30个拉莫尔周期。
7.根据权利要求1所述的一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的高精度测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，持续5～10个拉莫尔周期。
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