CN110849343A - 一种单激光器的核磁共振陀螺仪 - Google Patents

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王建龙
高洪宇
王杰英
张俊峰
来琦
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Abstract

本发明涉及一种单激光器的核磁共振陀螺仪，激光器发出的激光经过第一λ/2波片和偏振分束器后实现分束，其中一束经过第一格兰棱镜和λ/4波片转化为圆偏振光直接入射原子气室，用来泵浦极化原子；另一束经过第一反射镜反射改变传播方向后，经过声光调制器移频使得激光远失谐于原子共振线，然后经过第二格兰棱镜，使激光转化为偏振度较高的线偏振光，经过第二反射镜反射后进入原子气室，然后出射光经过第三反射镜反射后，再通过第二λ/2波片和沃拉斯顿棱镜实现分束后分别进入两个探测器实现光电转换，电信号经过信号处理电路后得到陀螺转动信号。本发明采用一个激光器同时产生泵浦光和探测光，节省了一个激光器，简化了结构，便于系统小型化和集成化。

Description

一种单激光器的核磁共振陀螺仪
技术领域
本发明属于量子传感器件技术领域，具体涉及一种单个激光器的核磁共振陀螺仪。
背景技术
近年来，随着量子技术的飞速发展，以及惯性导航系统的性能提升需要，很多种原子陀螺受到人们关注。其中核磁共振陀螺是一种成熟度较高的原子自旋陀螺仪，其利用原子核自旋磁矩在静磁场中进动频率的不变性敏感载体转动信息，具有高精度、小体积、大动态、低功耗等显著优势。
核磁共振陀螺主要利用惰性气体原子核自旋来实现转动测量，如图1所示。原子核自旋自然条件下具有随机性，无宏观磁矩。当在z向施加一外磁场B0时，原子核自旋磁矩取向平行或反平行于磁场方向，即原子分布于基态的高低能级上。在与磁场B0相同方向上施加圆偏振的泵浦激光时，低能级原子发生跃迁使原子极化，原子磁矩绕着磁场B0作拉莫尔进动，其进动频率为
ω＝γB0 (1)
此时，每个原子核自旋磁矩进动的相位不同，因此在x-y平面内总磁矩为零。在x方向施加一个交变磁场BA，使其频率与原子进动频率相同。原子会吸收磁场能量产生核磁共振，使得原子核磁矩的相位保持一致，此时测量x-y平面内核磁矩的转动频率与原子核磁矩进动频率相同。在x方向施加一束线偏振激光进行探测，原子宏观磁矩在x-y平面内的分量会使线偏振光的偏振方向发生偏转，从而实现测量。检测激光随着载体转动，当载体绕B0方向以ωr转动时，探测光观察到的核磁共振频率为
ω＝γB0+ωr (2)
由此公式便可实现核磁共振陀螺对载体转速的测量。
近几年，核磁共振陀螺飞速发展。2012年在美国DARPA资助下，诺斯罗普·格鲁曼公司已经研制成功表头体积5cm3、零偏稳定性0.01°/h的导航级核磁共振陀螺仪工程样机。2015年北京自动化控制设备研究所研制出了敏感体积64mm3，表头体积50cm3的样机，其零偏稳定性优于1°/h。目前就核磁共振陀螺方案来说，大部分都是利用两个激光器分别产生线偏振和圆偏振光垂直从气室入射分别实现探测和泵浦作用。这使得系统结构复杂且成本较高，不利于集成化和小型化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种简化系统结构、便于系统小型化的单个激光器的核磁共振陀螺仪。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种单激光器的核磁共振陀螺仪，其特征在于：
包括激光器、第一λ/2波片、偏振分束器、第一格兰棱镜、λ/4波片、第一反射镜、声光调制器、第二格兰棱镜、驱动射频电路、第二反射镜、磁屏蔽筒、磁场控制线圈、无磁加热机构、原子气室、第三反射镜、第二λ/2波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、信号处理电路；
原子气室位于磁屏蔽筒的中心位置，从内到外无磁加热机构、磁场控制线圈和磁屏蔽筒依次设置；第二反射镜激和第三反射镜分别位于磁屏蔽筒最内层和磁场控制线圈中间部分的左右两侧，激光器、第一λ/2波片、偏振分束器、第一格兰棱镜、λ/4波片、第一反射镜、声光调制器、第二格兰棱镜、第二λ/2波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、信号处理电路均位于磁屏蔽筒最外层的外侧；
激光器发出的激光经过第一λ/2波片和偏振分束器后实现分束，其中一束经过第一格兰棱镜和λ/4波片转化为圆偏振光直接入射原子气室，用来泵浦极化原子；另一束经过第一反射镜反射改变传播方向后，经过声光调制器移频使得激光远失谐于原子共振线，然后经过第二格兰棱镜，使激光转化为偏振度较高的线偏振光，经过第二反射镜反射后进入原子气室，然后出射光经过第三反射镜反射后，再通过第二λ/2波片和沃拉斯顿棱镜实现分束后分别进入两个探测器实现光电转换，电信号经过信号处理电路后得到陀螺转动信号。
而且的，所述第一格兰棱镜偏振轴和λ/4波片偏振轴的夹角为π/4。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明采用一个激光器同时产生泵浦光和探测光，较两个激光器的核磁共振陀螺方案，节省了一个激光器的成本，其结构也更加简单，便于系统小型化和集成化。
附图说明
图1为核磁共振陀螺的原理示意图。
图2为本发明一种单激光器的核磁共振陀螺仪光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种单激光器的核磁共振陀螺仪，请参见图1-2，其发明点为：
包括激光器1、第一λ/2波片2、偏振分束器3、第一格兰棱镜4、λ/4波片5、第一反射镜6、声光调制器7、第二格兰棱镜8、驱动射频电路9、第二反射镜10、磁屏蔽筒11、磁场控制线圈12、无磁加热机构13、原子气室14、第三反射镜15、第二λ/2波片16、沃拉斯顿棱镜17、光电探测器18、信号处理电路19，其中：
原子气室位于磁屏蔽筒的中心位置，从内到外无磁加热机构、磁场控制线圈和磁屏蔽筒依次设置；第二反射镜激和第三反射镜分别位于磁屏蔽筒最内层和磁场控制线圈中间部分的左右两侧，激光器、第一λ/2波片、偏振分束器、第一格兰棱镜、λ/4波片、第一反射镜、声光调制器、第二格兰棱镜、第二λ/2波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、信号处理电路均位于磁屏蔽筒最外层的外侧。
调节激光器使其波长与原子线共振。激光器发出的激光经过第一λ/2波片和偏振分束器后实现分束，其中一束激光经过第一格兰棱镜起偏，转化为完全线偏振光，调节λ/4波片偏振轴使其与第一格兰棱镜的偏振轴夹角为π/4，此时经过λ/4波片的激光转变为偏振度较高圆偏振光，作为泵浦光直接入射原子气室，用来泵浦极化原子。另一束经过第一反射镜反射改变传播方向后，经过声光调制器产生±1级衍射光，根据原子谱线调节声光调制器的驱动射频频率，使得±1级衍射激光远失谐于原子共振线，然后让+1级衍射光经过第二格兰棱镜起偏，使出射光转化为偏振度较高的线偏振光，经过第二反射镜反射后进入原子气室。线偏振光可以看做是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的合成，极化的原子对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的折射率不同，从而会产生相位差，这样合成后的线偏振光偏振方向就会发生旋转。出射后的线偏振光经过第三反射镜反射后，再通过第二λ/2波片和沃拉斯顿棱镜实现偏振分束后分别进入两个探测器实现光电转换，这样通过两个探测器得到的光强可以得到在水平方向和竖直方向的偏振分量，进而就可以得到偏振方向的转动信息。电信号经过信号处理电路后得到陀螺转动信号。
上述声光调制器使激光产生±1级衍射光，-1、+1级衍射光分别为红蓝失谐光。声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波场的一种物理过程。调制信号是以电信号形式作用于电-声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。其中电-声换能器是利用某些压电晶体(石英、LiNbO3等)或压电半导体(Cds、ZnO等)的反压电效应，在外加电场的作用下产生机械振动而形成超声波，起着将调制的电功率转换成声功率的作用。在超声源的对面放置一个吸声装置，用以吸收已通过介质的声波，以免返回介质产生干扰。声光相互作用在声光介质中进行，当一束光通过变化的声场时，由于光和超声场的相互作用，其出射光就具有随时间变化的各级衍射光。若取一级衍射光作为输出，可利用光阑将其它各级衍射光遮挡。实验中根据需要选择合适的调制信号频率，使得+1级光与原子共振线远失谐，将其作为探测光。
本单激光器的核磁共振陀螺仪中所述激光器出射光进行分束后，一束光转化为圆偏振光作为泵浦光，另一束光经过声光调制器移频后作为探测光，相比于现有利用两个激光器分别产生线偏振和圆偏振光垂直从气室入射分别实现探测和泵浦作用的技术方案，节省了一个激光器，结构也更加简单，便于系统小型化和集成化。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种单激光器的核磁共振陀螺仪，其特征在于：
包括激光器、第一λ/2波片、偏振分束器、第一格兰棱镜、λ/4波片、第一反射镜、声光调制器、第二格兰棱镜、驱动射频电路、第二反射镜、磁屏蔽筒、磁场控制线圈、无磁加热机构、原子气室、第三反射镜、第二λ/2波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、信号处理电路；
原子气室位于磁屏蔽筒的中心位置，从内到外无磁加热机构、磁场控制线圈和磁屏蔽筒依次设置；第二反射镜激和第三反射镜分别位于磁屏蔽筒最内层和磁场控制线圈中间部分的左右两侧，激光器、第一λ/2波片、偏振分束器、第一格兰棱镜、λ/4波片、第一反射镜、声光调制器、第二格兰棱镜、第二λ/2波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、信号处理电路均位于磁屏蔽筒最外层的外侧；
激光器发出的激光经过第一λ/2波片和偏振分束器后实现分束，其中一束经过第一格兰棱镜和λ/4波片转化为圆偏振光直接入射原子气室，用来泵浦极化原子；另一束经过第一反射镜反射改变传播方向后，经过声光调制器移频使得激光远失谐于原子共振线，然后经过第二格兰棱镜，使激光转化为偏振度较高的线偏振光，经过第二反射镜反射后进入原子气室，然后出射光经过第三反射镜反射后，再通过第二λ/2波片和沃拉斯顿棱镜实现分束后分别进入两个探测器实现光电转换，电信号经过信号处理电路后得到陀螺转动信号。
2.根据权利要求1所述的单激光器的核磁共振陀螺仪，其特征在于：所述第一格兰棱镜偏振轴和λ/4波片(5)偏振轴的夹角为π/4。
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