CN109827559B - 一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪，包括原子蒸气室、无磁加热装置、磁屏蔽装置、三维磁场线圈、泵浦光激光器、第一起偏器、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一反射镜、探测光激光器、第二反射镜、声光调制器、光阑、第二起偏器、λ/2波片、沃拉斯通棱镜、差分光电探测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、计算机。本发明解决了核磁共振陀螺仪中原子极化度不均一的问题，为提升核磁共振陀螺仪的检测灵敏度提供了保障。

Description

一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置

技术领域

本发明属于光学检测、惯性导航技术领域，具体涉及一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置。

背景技术

运动物体，如舰船、飞机、卫星的姿态信息的实时检测与调整是惯性导航中的重要任务。姿态信息主要包含三个方面：位置，加速度和转动速率，其中转动速率的信息由陀螺仪产生。

陀螺仪有多种，传统陀螺仪利用科里奥利力效应，其优点是精度高，但缺点是由于其中的转子为运动部件，在物体做剧烈加速运动时容易受产生碰撞而损坏，因而在某些场合(如高加速度的航天器或飞行器)容易失效。利用激光在环形光纤中传播的相位差实现的光纤激光陀螺仪，没有运动部件，增加了抗冲击性，然而其精度随光纤环路面积缩小而下降。高精度的光纤激光陀螺仪往往要求很大的体积，从而不利于小型化与高精度的同时实现。近年来，一种新型的核磁共振陀螺仪(Nuclear magnetic resonance gyroscope,NMRG)，既无机械运动部件，精度又与尺寸无关，具有更高的精度，且更高的抗冲击性与小型化优势，得到了广泛关注。

现有的NMRG相关技术包括：美国专利“Optically pumped nuclear magneticresonance gyroscope”(US3778700,1973)公布一种光泵NMRG，通过谱灯光泵汞原子蒸气，提高核磁共振(NMR)信号强度，并通过探测出射光偏振的Faraday旋转角被惯性转动调制的方法获取陀螺仪转动信息。美国专利“Nuclear magnetic resonance gyro”(US4157495，1979)公布了一种使用两种元素的NMRG，因两种元素的核自旋旋磁比不等，通过分别测量两个自旋Larmor进动频率，可以消除因主磁场波动导致的转动速率测量值误差。在此基础上，美国专利“Nuclear magnetic resonance gyroscope”(US7282910B1,2007)公布了一种使用三种元素的NMRG，通过加入第三种元素，消除各元素所处局部磁场波动不同导致的转动速率测量误差。美国专利“Chip scale atomic gyroscope”(US7359059B2,2008)公布了一种基于微电机系统工艺的芯片尺寸NMRG。

单一泵浦光在泵浦碱金属过程中，激光在进入原子蒸气室后，随着被原子的吸收，沿着光传播方向光强会逐渐减小，在原子蒸气室的不同位置，泵浦光的强度不同，光泵效率也会产生差别，惰性气体原子核极化度也会发生梯度差别，产生的宏观磁矩也会产生梯度，影响探测的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置。

一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，包括填充有惰性气体和碱金属蒸气的原子蒸气室，原子蒸气室外部由内至外依次设置有无磁加热装置、三维磁场线圈和磁屏蔽装置，

还包括泵浦光激光器和探测光激光器，

泵浦光激光器产生的泵浦光通过第一光隔离器后经过第一起偏器变为第一泵浦线偏光，第一泵浦线偏光经过第一λ/4波片变为泵浦左旋圆偏光，泵浦左旋圆偏光入射原子蒸气室，未被原子蒸气室吸收的泵浦左旋圆偏光经过第二λ/4波片变为第二泵浦线偏光，第二泵浦线偏光经第一反射镜反射后沿原路返回第二λ/4波片转换为泵浦右旋圆偏光，泵浦右旋圆偏光后穿过原子蒸气室，

探测光激光器产生的探测激光探测光通过第二光隔离器后进入声光调制器，在第一锁相放大器的驱动下，声光调制器对探测激光探测光进行方波调制，方波调制后的探测激光探测光再经过光阑过滤，仅让一级衍射光进入第二起偏器转变为探测线偏光，探测线偏光穿过原子蒸汽室原子蒸气室，穿过原子蒸汽室原子蒸气室后的探测线偏光再依次经过λ/2波片和沃拉斯通棱镜后分为两束进入差分光电探测器，经过差分光电探测器探测获得的差分信号经过第一锁相放大器进行信号解调，经过第一锁相放大器解调后的信号输入第二锁相放大器进行解调，得到放置核磁共振陀螺仪整体装置载体的角速度信息，计算机根据角速度信息获得载体的姿态信息。

如上所述的泵浦左旋圆偏光、泵浦右旋圆偏光均与探测线偏光在原子蒸气室内正交。

如上所述的三维磁场线圈在泵浦光传播方向上产生直流磁场，在探测光传播方向上产生交变磁场。

如上所述的交变磁场的频率等于原子蒸气室内的惰性气体旋磁比与直流磁场强度的乘积。

如上所述的泵浦左旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈产生的直流磁场的方向相同，泵浦右旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈产生的直流磁场的方向相反。

如上所述的第二锁相放大器的解调参考频率为交变磁场的频率。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、提升了核磁共振陀螺仪中的惰性气体原子极化度均匀性，提升了内建原子磁力计的测磁灵敏度；

2、提升了核磁共振陀螺仪的加速度测量灵敏度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1-泵浦光激光器，2-第一起偏器，3-第一λ/4波片，4-磁屏蔽装置，5-三维磁场线圈，6-无磁加热装置，7-原子蒸气室，8-第二λ/4波片，9-第一反射镜，10-探测光激光器，11-第二反射镜，12-声光调制器，13-光阑，14-第二起偏器，15-λ/2波片，16-沃拉斯通棱镜，17-差分光电探测器，18-第一锁相放大器，19-第二锁相放大器，20-计算机，21-第一光隔离器，22-第二光隔离器。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪，包括：碱金属和惰性气体混合的原子蒸气室7、用于对原子蒸气室进行加热的无磁加热装置6、用于屏蔽外界静磁场的磁屏蔽装置4、用于产生磁场的三维磁场线圈5、泵浦光激光器1、第一起偏器2、第一λ/4波片3、第二λ/4波片8、第一反射镜9、探测光激光器10、第二反射镜11、声光调制器12、光阑13、第二起偏器14、λ/2波片15、沃拉斯通棱镜16、差分光电探测器17、第一锁相放大器18、第二锁相放大器19、计算机20。

原子蒸气室7位于核磁共振陀螺仪的中心位置，内部封装有碱金属原子和惰性气体，其外部由内而外依次为无磁电加热装置6、三维磁场线圈5和磁屏蔽罩4。

本实施例中，碱金属原子为⁸⁷Rb原子，惰性气体为¹²⁹Xe原子，原子蒸气室7的工作温度为110℃。三维磁场线圈可以为三维亥姆霍兹线圈或者三维马鞍线圈。无磁加热装置6可以为气加热、电加热或者激光加热。

泵浦光激光器1产生泵浦光(沿Z方向传播)，所述的探测光激光器10产生探测光(沿X方向传播)，泵浦左旋圆偏光、泵浦右旋圆偏光均与探测线偏光在原子蒸气室(7)内的中心位置正交。

本实施例中，泵浦光激光器1发出的泵浦光的激光频率为377.2502THz，探测光激光器10发出的探测光的激光频率为377.0978THz。

三维磁场线圈5在泵浦光传播方向(Z方向)上产生直流磁场，在探测光传播方向上(X方向)产生交变磁场，交变磁场的频率等于原子蒸气室7内的惰性气体旋磁比与直流磁场强度的乘积。泵浦光传播方向和探测光传播方向正交。

本实施例中，直流磁场的大小为13μT，交变磁场的频率为147Hz。

泵浦光激光器1产生的泵浦光通过第一光隔离器21后经过第一起偏器2变为第一泵浦线偏光，第一泵浦线偏光再经过第一λ/4波片3变为泵浦左旋圆偏光，泵浦左旋圆偏光透过原子蒸气室7，透过原子蒸气室7的未被原子蒸气室吸收的泵浦左旋圆偏光经过第二λ/4波片8变为第二泵浦线偏光，第二泵浦线偏光经第一反射镜9反射后沿原路返回第二λ/4波片8，第二泵浦线偏光经过第二λ/4波片8转变为泵浦右旋圆偏光后穿过原子蒸气室7，由于第一隔离器21的存在，未被完全吸收的泵浦右旋圆偏光无法进入泵浦光激光器1，避免了泵浦光激光器1的损坏。

泵浦左旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈5产生的直流磁场的方向相同，泵浦右旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈5产生的直流磁场的方向相反。

¹²⁹Xe原子经过一系列物理作用而被核极化，产生宏观磁矩。初始的极化磁矩与直流磁场(Z方向)是平行的，根据物理原理，宏观磁矩不会产生运动，此时在X方向产生交变磁场，在其作用下，宏观磁矩偏离直流磁场，根据物理原理，宏观磁矩将受到力矩作用围绕直流磁场发生拉莫尔进动。

探测光激光器10产生的探测光入射通过第二光隔离器22经由第二反射镜11反射后进入声光调制器12，经由声光调制器12和第一锁相放大器18驱动进行方波调制，再经过光阑13过滤，仅让一级衍射光进入第二起偏器14转变为探测线偏光穿过原子蒸气室7，泵浦左旋圆偏光、泵浦右旋圆偏光均与探测线偏光在原子蒸气室7内正交，穿过原子蒸气室7后的探测线偏光再依次经过λ/2波片15和沃拉斯通棱镜16后分为两束进入差分光电探测器17，经过差分光电探测器17探测获得的差分信号经过第一锁相放大器18进行信号解调，经过第一锁相放大器18解调后的信号输入第二锁相放大器19进行解调，第二锁相放大器19的解调参考频率为交变磁场的频率，就可以得到放置核磁共振陀螺仪整体装置载体的角速度信息，最后将载体的角速度信息结果输入计算机20进行处理得到载体的姿态信息。

本实施例中，第二锁相放大器19的参考频率为147Hz。

本发明解决了核磁共振陀螺仪原子蒸气室内极化度不均匀的问题，为提升核磁共振陀螺仪的检测灵敏度提供了保障。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，包括填充有惰性气体和碱金属蒸气的原子蒸气室（7），原子蒸气室（7）外部由内至外依次设置有无磁加热装置（6）、三维磁场线圈（5）和磁屏蔽装置（4），其特征在于，

还包括泵浦光激光器（1）和探测光激光器（10），

泵浦光激光器（1）产生的泵浦光通过第一光隔离器（21）后经过第一起偏器（2）变为第一泵浦线偏光，第一泵浦线偏光经过第一λ/4波片（3）变为泵浦左旋圆偏光，泵浦左旋圆偏光入射原子蒸气室（7），未被原子蒸气室吸收的泵浦左旋圆偏光经过第二λ/4波片（8）变为第二泵浦线偏光，第二泵浦线偏光经第一反射镜（9）反射后沿原路返回第二λ/4波片（8）转换为泵浦右旋圆偏光，泵浦右旋圆偏光后穿过原子蒸气室（7），

探测光激光器（10）产生的探测激光探测光通过第二光隔离器（22）后进入声光调制器（12），在第一锁相放大器（18）的驱动下，声光调制器（12）对探测激光探测光进行方波调制，方波调制后的探测激光探测光再经过光阑（13）过滤，仅让一级衍射光进入第二起偏器（14）转变为探测线偏光，探测线偏光穿过原子蒸汽室原子蒸气室（7），穿过原子蒸汽室原子蒸气室（7）后的探测线偏光再依次经过λ/2波片（15）和沃拉斯通棱镜（16）后分为两束进入差分光电探测器（17），经过差分光电探测器（17）探测获得的差分信号经过第一锁相放大器（18）进行信号解调，经过第一锁相放大器（18）解调后的信号输入第二锁相放大器（19）进行解调，得到放置核磁共振陀螺仪整体装置载体的角速度信息，计算机（20）根据角速度信息获得载体的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，其特征在于：所述的泵浦左旋圆偏光、泵浦右旋圆偏光均与探测线偏光在原子蒸气室（7）内正交。

3.根据权利要求1所述的一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，其特征在于：所述的三维磁场线圈（5）在泵浦光传播方向上产生直流磁场，在探测光传播方向上产生交变磁场。

4.根据权利要求3所述的一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，其特征在于：所述的交变磁场的频率等于原子蒸气室（7）内的惰性气体旋磁比与直流磁场强度的乘积。

5.根据权利要求3所述的一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，其特征在于：所述的泵浦左旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈（5）产生的直流磁场的方向相同，泵浦右旋圆偏光的传播方向与三维磁场线圈（5）产生的直流磁场的方向相反。

6.根据权利要求3所述的一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置，其特征在于：所述的第二锁相放大器（19）的解调参考频率为交变磁场的频率。

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