CN108844532A - 一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，包括MEMS工艺制备的双窗口原子气室、用于原子气室加热的加热结构、磁场线圈、探测光路部件、泵浦光路部件、光电探测部件、信号解调模块、温度控制模块、磁场驱动模块和激光驱动模块；该核磁共振陀螺仪采用MEMS键合工艺制备的薄片型双窗口原子气室，泵浦光路与探测光路分别采用圆偏振光垂直窗口泵浦、线偏振光斜入射探测的方式，简化了陀螺光路结构、缩小了陀螺整体体积，同时线偏振探测光采用布儒斯特角入射还可实现探测光的高透射率和高线偏振度。

Description

一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪

技术领域

本发明涉核磁共振陀螺仪领域，特别是一种适用于双窗口气室的小型核磁共振陀螺仪，具备小型化、结构简单可靠性强的特点，可应用于战略、战术武器装备的制导与控制。

背景技术

陀螺仪是测量物体转动角速率和角度的重要工具，目前已经历了转子式陀螺仪，光学陀螺仪、MEMS陀螺仪及在未来有望实现小型化高精度的原子陀螺仪。原子陀螺仪分为基于Sagnac效应的干涉式和利用原子电子自旋信息的自旋式两种类型陀螺仪，目前相关技术最为成熟的是后者中的核磁共振陀螺仪。

目前高性能原子气室的制备是严重制约核磁共振陀螺仪、SERF陀螺仪等新型量子仪表向高精度、实用化突破的关键问题之一。其中，在小尺寸气室内实现长横向弛豫时间惰性气体原子系综并保证原子气室高效无磁加热是现阶段提升量子仪表性能并将其推向实用化的关键。

现阶段核磁共振陀螺仪中多使用玻璃材质的立方体结构原子气室，利用两对(四面)透光窗口分别对原子气室内的介质进行泵浦和探测，如2014年美国诺斯罗普·格鲁曼公司研制的用于核磁共振陀螺仪的原子气室内部采用边长尺寸小于2mm立方结构。为了进一步缩小原子气室的体积，探索原子气室批量制造方案，研究者们将MEMS工艺技术引入到原子气室制造过程中。2007年美国国家标准技术局(NIST)开发出用于微型核磁共振陀螺仪的倒金字塔结构气室。原子气室为硅/玻璃/硅三层键合结构，气室内壁镀有用于光束反射的多层介质膜。该结构为核磁共振陀螺仪微型化提供了新途径。2008年，美国NIST与加州大学欧文分校合作，尝试将上述原子气室用于微型核磁共振陀螺仪的研制，获得表头体积为2cm³的陀螺仪。结果表明使用该方法的气室虽可以大幅减小陀螺仪体积，但也表明该原子气室存在内壁反射膜层镀制困难、集成加热线圈导致磁场梯度增大等诸多问题，有待对其进一步设计和改进。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用MEMS玻璃-硅片键合的成熟工艺制备的双窗口原子气室通过斜入射探测方式实现微小型核磁共振陀螺的方案。该方案中提出的垂直泵浦，布儒斯特角入射探测的方式不仅可以简化光路、减小体积，还可在不镀膜的情况下增大探测光的透射率，提高探测信号的信噪比。

本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现：

一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，包括：探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、信号解调模块、原子气室、加热模块以及磁场模块，其中：

加热模块用于控制原子气室的温度，磁场模块用于在原子气室内部产生磁场，泵浦光路部件包括出射线偏振光的泵浦激光二极管、λ/4波片以及扩束镜；探测光路部件包括出射线偏振光的探测激光二极管、λ/2波片以及聚焦透镜；其中探测光路与泵浦光路在原子气室中心位置处相交，穿过原子气室后经过光探测部件进行信号采集，再通过信号解调模块进行差分、鉴相处理得到陀螺信号。

所述原子气室为三层结构的双窗口原子气室，包括上玻璃层、硅层以及下玻璃层，通过硅玻璃键合组成原子气室整体，硅层中央部位设置有通光孔。

磁场模块包括磁场控制单元以及磁场线圈，磁场控制单元控制磁场线圈产生三个方向的磁场，分别为X向、Y向和Z向磁场，X向和Y向在原子气室平面内且相互垂直，Z向垂直于原子气室平面。

加热模块包括加热控制单元以及加热结构，加热结构紧贴在原子气室表面，在加热控制单元的控制下，实现对原子气室的温度的控制。

还包括磁屏蔽罩，用于保证原子气室不受外界磁场干扰，探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、原子气室、加热结构以及磁场线圈设置在磁屏蔽罩内部。

泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直为平行光束、通过λ/4波片变为圆偏振光后进入原子气室对原子气室内的碱金属原子进行极化，剩余的泵浦光穿过原子气室，由光探测部件中的泵浦光探测器接收。

泵浦激光二极管、扩束准直镜、λ/4波片、原子气室和泵浦光探测器的中心依次分布在泵浦光光路所在直线上，该直线与原子气室窗口平面垂直。

泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直成的平行光束，该平行光束的截面形状和面积，与硅层中央部位设置的通光孔形状及面积一致。

探测激光二极管产生的线偏振光经过非球面透镜聚焦，并通过λ/2波片后以布儒斯特角进入原子气室窗口，探测激光的焦点位于原子气室中心位置处，穿过原子气室后进入偏振分束棱镜，分为S偏振光和P偏振光，其中所述P偏振光由光探测部件中的第一光探测器接收，所述S偏振光由光探测部件中的第二光探测器接收。

探测激光二极管、非球面聚焦透镜、λ/2波片、原子气室、偏振分束棱镜、第一光探测器的中心依次分布在探测光光路所在直线上，且保证偏振分束棱镜的反射面与该直线呈45度角。

所述硅层的厚度不大于4mm，硅层中央设置的通光孔面积不小于16mm²。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明中使用的双窗口原子气室可采用键合工艺制备，相比玻璃熔接工艺更为简单且更容易实现批量生产。

(2)、本发明中使用的原子气室可为薄片型，碱金属原子被局限在很小的范围内，泵浦光程和探测光程较短，有效减小了磁场在原子气室范围内的不均匀性导致的测量误差。

(3)、本发明中采用垂直泵浦、斜入射探测的方式简化了光路，缩小了陀螺的体积。

(4)、本发明中探测光为线偏振光，以布儒斯特角入射原子气室窗口，可以在不镀膜的情况下实现高透过率和高线偏振度，提高探测信号信噪比。

附图说明

图1为本发明陀螺仪的装置图；

图2为本发明原子气室结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，本发明提出了一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，包括：探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、信号解调模块、原子气室、加热模块以及磁场模块，其中：

加热模块用于控制原子气室的温度，磁场模块用于在原子气室内部产生磁场，泵浦光路部件包括出射线偏振光的泵浦激光二极管、λ/4波片以及扩束镜；探测光路部件包括出射线偏振光的探测激光二极管、λ/2波片以及聚焦透镜；其中探测光路与泵浦光路在原子气室中心位置处相交，穿过原子气室后经过光探测部件进行信号采集，再通过信号解调模块进行差分、鉴相处理得到陀螺信号。λ为波长。

磁场模块包括磁场控制单元以及磁场线圈，磁场控制单元控制磁场线圈产生三个方向的磁场，分别为X向、Y向和Z向磁场，X向和Y向在原子气室平面内且相互垂直，Z向垂直于原子气室平面。加热模块包括加热控制单元以及加热结构，加热结构紧贴在原子气室表面，在加热控制单元的控制下，实现对原子气室的温度的控制。

如图1所示，本发明核磁共振陀螺仪还包括磁屏蔽罩，用于保证原子气室不受外界磁场干扰，探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、原子气室、加热结构以及磁场线圈设置在磁屏蔽罩内部。其他控制单元一般以电路形式实现，容易产生电磁干扰，放置在磁屏蔽罩外部。

泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直为平行光束、通过λ/4波片变为圆偏振光后进入原子气室对原子气室内的碱金属原子进行极化，剩余的泵浦光穿过原子气室，由光探测部件中的泵浦光探测器接收。

泵浦激光二极管、扩束准直镜、λ/4波片、原子气室和泵浦光探测器的中心依次分布在泵浦光光路所在直线上，该直线与原子气室窗口平面垂直。泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直成的平行光束，该平行光束的截面形状和面积，与硅层中央部位设置的通光孔形状及面积一致。

探测激光二极管产生的线偏振光经过非球面透镜聚焦，并通过λ/2波片后以布儒斯特角进入原子气室窗口，探测激光的焦点位于原子气室中心位置处，穿过原子气室后进入偏振分束棱镜，分为S偏振光和P偏振光，其中所述P偏振光由光探测部件中的第一光探测器接收，所述S偏振光由光探测部件中的第二光探测器接收。

探测激光二极管、非球面聚焦透镜、λ/2波片、原子气室、偏振分束棱镜、第一光探测器的中心依次分布在探测光光路所在直线上，且保证偏振分束棱镜的反射面与该直线呈45度角。

泵浦光所在直线P与原子气室窗口相互垂直，探测光所在直线D与泵浦光所在直线P夹角为θ，具体的等于探测光波长对原子气室窗口的布儒斯特角，且探测光在原子气室内经过区域被泵浦光光斑所覆盖。

碱金属原子受到惰性气体核自旋磁矩产生进动磁场的影响后成为旋光特性参数周期性变化的旋光介质，探测光线偏振面的旋转角与核自旋磁矩进动磁场在探测光方向的投影正相关。在本发明中，可使用D₁和D₂线对应波长的线偏振激光作为探测光，考虑基态原子数密度和跃迁概率密度对折射率的影响，在D₁线处左旋圆偏振光σ₊和右旋圆偏振光σ_-相应的折射率分别为：

其中，ν_D1为碱金属原子D₁线的共振跃迁频率，Γ_D1为D₁线的谱线展宽。

在D₂线处左旋圆偏振光σ₊和右旋圆偏振光σ_-的折射率的表达式如下：

其中，ν_D2为碱金属原子D₂线的共振跃迁频率，Γ_D2为D₂线的谱线展宽。

由于折射率不同，左旋圆偏振光σ₊和右旋圆偏振光σ_-在原子气室内经历的光程不同，导致其旋转相位也不同，经过原子气室后合成线偏振光时线偏振面发生旋转。当静磁场方向沿泵浦光传播方向时，探测光在原子气室内的光程为l＝d/cosφ＝tc/n(ν)时，其中φ为泵浦光传播方向与探测光传播方向的夹角，由检测光经过原子气室的时间t可换算得到线偏振面的旋转角θ的表达式为：

其中，ω为探测光的圆频率，代表着圆偏振光偏振矢量旋转的频率，n(ν)为激光频率取ν时原子气室的折射率，c为真空光速。

引入碱金属原子的极化率：

P_x＝ρ(+1/2)-ρ(-1/2)＝P·cosω_Xet (6)

P是矢量，与惰性气体核子的自旋进动磁矩成正比。

核磁共振条件下原子核自旋磁矩的进动频率为ω_Xe，其在探测光方向上有极化率投影P_d＝P·cosω_Xet·sinφ。检测光偏振面旋转角θ主要受原子核自旋磁矩在探测光方向的磁场P_d影响。以使用D₁线探测光为例，由式(1)-(6)得到通过厚度为d的原子气室后检测光线偏振面的旋转角θ表达式如下：

检测光线偏振面的旋转角随时间呈余弦函数变化，其系数包含两个色散项，分别与原子气室在D₁线与D₂线的谱线展宽有关。当探测光以布儒斯特角入射时，检测光线偏振面的旋转角改写如下：

如图2所示，本发明原子气室为三层结构的双窗口原子气室，包括上玻璃层11、硅层12以及下玻璃层13，通过硅玻璃键合组成原子气室整体，硅层中央部位设置有通光孔14。硅层12的厚度不大于4mm，硅层12中央设置的通光孔14面积不小于16mm²。

本发明可以通过下述具体技术方案予以实现：

一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，包括：探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、信号解调模块、原子气室、加热模块以及磁场模块，其中：

加热模块用于控制原子气室的温度，磁场模块用于在原子气室内部产生磁场，泵浦光路部件包括出射线偏振光的泵浦激光二极管、λ/4波片以及扩束镜；探测光路部件包括出射线偏振光的探测激光二极管、λ/2波片以及聚焦透镜；其中探测光路与泵浦光路在原子气室中心位置处相交，穿过原子气室后经过光探测部件进行信号采集，再通过信号解调模块进行差分、鉴相处理得到陀螺信号。

所述原子气室为三层结构的双窗口原子气室，包括0.5mm厚上玻璃层、1mm厚硅层以及0.5mm厚下玻璃层，通过硅-玻璃阳极键合工艺组成原子气室整体，硅层中央部位设置有直径为5mm的圆形通光孔，原子气室截面尺寸为7mm×7mm。原子气室内部填充碱金属(⁸⁷Rb)、¹²⁹Xe、¹³¹Xe及缓冲气体。

磁场模块包括磁场控制单元以及磁场线圈，磁场控制单元控制磁场线圈产生三个方向的磁场，分别为X向、Y向和Z向磁场，X向和Y向在原子气室平面内且相互垂直，用于产生驱动磁场及剩余磁场补偿，Z向垂直于原子气室平面，用于使碱金属原子发生赛曼能级劈裂，产生量子化轴。

加热模块包括加热控制单元以及加热结构，加热结构由柔性PCB板制成，铜线走线对称分布用以抵消加热电流带来的磁场，加热片紧贴在原子气室表面，加热控制单元通过原子气室表面贴装的温度传感器的反馈信号，实现对原子气室的温度闭环控制。

磁屏蔽罩，用于保证原子气室不受外界磁场干扰，优选的采用多层坡莫合金结构。探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、原子气室、加热结构以及磁场线圈设置在磁屏蔽罩内部。

泵浦激光二极管优选的使用DBR激光器，产生的线偏振光经过扩束镜准直为平行光束、通过λ/4波片变为圆偏振光后进入原子气室对原子气室内的碱金属原子进行极化，剩余的泵浦光穿过原子气室，由光探测部件中的泵浦光探测器接收，泵浦光探测器接收的信号传回至泵浦光控制电路用以泵浦光的功率/频率闭环稳定控制。

泵浦激光二极管、扩束准直系统、λ/4波片、原子气室和泵浦光探测器的中心依次分布在泵浦光光路所在直线上，该直线与原子气室窗口平面垂直。

泵浦激光二极管产生的线偏振光经过由两面垂直放置的柱透镜构成的扩束系统分别对激光器的快轴和慢轴进行准直，准直后的平行光束的截面形状和面积与硅层中央部位设置的通光孔形状及面积一致。

探测激光二极管优选使用VCSEL激光器，产生的线偏振光经过短焦距非球面透镜聚焦，并通过λ/2波片后以布儒斯特角进入原子气室窗口，对于石英材质的窗口，对应的布儒斯特角大小为55.48°，通过调整布儒斯特窗口的倾斜面朝向使探测线偏振光作为S光入射，探测激光的焦点位于原子气室中心位置处，穿过原子气室后进入偏振分束棱镜，优选的，通过沿直线D旋转PBS，使分出的S偏振光和P偏振光强度一致，其中所述P偏振光由光探测部件中的第一光探测器接收，所述S偏振光由光探测部件中的第二光探测器接收，通过调节λ/2波片，使第一光探测器与第二探测器接收的信号幅值一致。

探测激光二极管、非球面聚焦透镜、λ/2波片、原子气室、偏振分束棱镜、第一光探测器的中心依次分布在探测光光路所在直线上，且保证偏振分束棱镜的反射面与该直线呈45度角。

上述技术方案简化了光路、减小了体积，还可在不镀膜的情况下增大探测光的透射率，提高探测信号的信噪比。

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 (11)

1.一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于包括：探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、信号解调模块、原子气室、加热模块以及磁场模块，其中：

加热模块用于控制原子气室的温度，磁场模块用于在原子气室内部产生磁场，泵浦光路部件包括出射线偏振光的泵浦激光二极管、λ/4波片以及扩束镜；探测光路部件包括出射线偏振光的探测激光二极管、λ/2波片以及聚焦透镜；其中探测光路与泵浦光路在原子气室中心位置处相交，穿过原子气室后经过光探测部件进行信号采集，再通过信号解调模块进行差分、鉴相处理得到陀螺信号。

2.根据权利要求1所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：所述原子气室为三层结构的双窗口原子气室，包括上玻璃层、硅层以及下玻璃层，通过硅玻璃键合组成原子气室整体，硅层中央部位设置有通光孔。

3.根据权利要求1所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：磁场模块包括磁场控制单元以及磁场线圈，磁场控制单元控制磁场线圈产生三个方向的磁场，分别为X向、Y向和Z向磁场，X向和Y向在原子气室平面内且相互垂直，Z向垂直于原子气室平面。

4.根据权利要求3所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：加热模块包括加热控制单元以及加热结构，加热结构紧贴在原子气室表面，在加热控制单元的控制下，实现对原子气室的温度的控制。

5.根据权利要求4所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：还包括磁屏蔽罩，用于保证原子气室不受外界磁场干扰，探测光路部件、泵浦光路部件、光探测部件、原子气室、加热结构以及磁场线圈设置在磁屏蔽罩内部。

6.根据权利要求1所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直为平行光束、通过λ/4波片变为圆偏振光后进入原子气室对原子气室内的碱金属原子进行极化，剩余的泵浦光穿过原子气室，由光探测部件中的泵浦光探测器接收。

7.根据权利要求6所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：泵浦激光二极管、扩束准直镜、λ/4波片、原子气室和泵浦光探测器的中心依次分布在泵浦光光路所在直线上，该直线与原子气室窗口平面垂直。

8.根据权利要求6所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：泵浦激光二极管产生的线偏振光经过扩束镜准直成的平行光束，该平行光束的截面形状和面积，与硅层中央部位设置的通光孔形状及面积一致。

9.根据权利要求1所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：探测激光二极管产生的线偏振光经过非球面透镜聚焦，并通过λ/2波片后以布儒斯特角进入原子气室窗口，探测激光的焦点位于原子气室中心位置处，穿过原子气室后进入偏振分束棱镜，分为S偏振光和P偏振光，其中所述P偏振光由光探测部件中的第一光探测器接收，所述S偏振光由光探测部件中的第二光探测器接收。

10.根据权利要求9所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：探测激光二极管、非球面聚焦透镜、λ/2波片、原子气室、偏振分束棱镜、第一光探测器的中心依次分布在探测光光路所在直线上，且保证偏振分束棱镜的反射面与该直线呈45度角。

11.根据权利要求2所述的一种使用斜入射探测光路微小型核磁共振陀螺仪，其特征在于：所述硅层的厚度不大于4mm，硅层中央设置的通光孔面积不小于16mm²。