CN112684386B - 一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法 - Google Patents

一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，通过向SERF惯性测量装置中的K‑Rb混合原子气室充入定量气体，利用所述定量气体实现工作中心频率改变，将K‑Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统实现频率稳定，为高精度的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。

Description

一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法
技术领域
本发明涉及SERF惯性测量装置技术，特别是一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，通过向SERF惯性测量装置中的K-Rb混合原子气室充入定量气体，利用所述定量气体实现工作中心频率改变，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统实现频率稳定，为高精度的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。
背景技术
随着量子光学、原子物理学等领域的飞速发展，精密测量已经迈入量子时代。量子精密测量的基本原理是利用光与原子的相互作用，实现对各种物理量超高精度的测量。高精度惯性测量装置的研究可以为探索前沿基础物理学、神经科学、脑科学、中医机理等领域未知世界提供极限研究的新手段。而光频移是制约惯性测量装置灵敏度的一大要素，因此，抑制光频移具有重要意义。
目前，抑制光频移可以通过将工作点从原子跃迁线共振频率移动到失谐GHz量级频率的方法实现，然而，大失谐条件下很难做到频率稳定，PDH(Pound-Drever-Hall)和F-P(Fabry-Perot)腔稳频方法虽然能够在失谐条件下稳频，但是成本高且难以调节，饱和吸收稳频方法只能将频率稳定在原子跃迁线的共振频率上，在失谐GHz量级处无法实现频率锁定。目前现有的方法无法同时兼顾大失谐稳频和实验简便性。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，通过向SERF惯性测量装置中的K-Rb混合原子气室充入定量气体，利用所述定量气体实现工作中心频率改变，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统实现频率稳定，为高精度的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，包括向SERF惯性测量装置中的K-Rb混合原子气室充入定量气体，通过所述定量气体实现工作中心频率改变，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定。
所述充入定量气体包括以下步骤：
步骤1，按照实验需求确定所述K-Rb混合原子气室中K-Rb原子的密度比Dr和充入21Ne和N2的量；
步骤2，计算K和Rb原子的光频移；
步骤3，计算总光频移；
步骤4，计算需要充入的4He的量。
所述步骤2中计算K和Rb原子的光频移采用如下公式：
Figure BDA0002817192100000021
Figure BDA0002817192100000022
其中
Figure BDA0002817192100000023
是K原子的光频移；
Figure BDA0002817192100000024
是Rb原子的光频移；re为经典原子半径；c为光速；Φ是单位面积单位时间的光子通量；Sp为抽运光的偏振，理想情况下抽运光为圆偏振光，Sp等于1；γe是电子的旋磁比；v是抽运光的频率；
Figure BDA0002817192100000025
和
Figure BDA0002817192100000026
分别为K原子D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线振荡强度常数；
Figure BDA0002817192100000027
和
Figure BDA0002817192100000028
分别对应K的D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线的频率，由于K的D2线频率和K的D1线距离相对很大，在此可以忽略K的D2线光频移对总光频移的影响；
Figure BDA0002817192100000029
和
Figure BDA00028171921000000210
分别为充入气体造成的K原子D1线的中心频移和压力展宽，
Figure BDA00028171921000000211
和
Figure BDA00028171921000000212
分别为充入气体造成的Rb原子D1线和D2线的压力展宽，由于气体对Rb原子D1线和D2线造成的中心频移都相对较小，因此忽略。
所述K和Rb原子的光频移计算公式的各项参数中，
Figure BDA0002817192100000031
和
Figure BDA0002817192100000032
与4He的量相关，其他参数均为常量。
所述
Figure BDA0002817192100000033
和
Figure BDA0002817192100000034
与4He的量具有如下相关公式：
Figure BDA0002817192100000035
Figure BDA0002817192100000036
Figure BDA0002817192100000037
Figure BDA0002817192100000038
其中，pNe、
Figure BDA0002817192100000039
pHe分别对应充入的21Ne、N2和4He的压强，
Figure BDA00028171921000000310
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的中心频移，
Figure BDA00028171921000000311
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA00028171921000000312
分别为Rb的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA00028171921000000313
分别为Rb的D2线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽。
所述步骤3中计算总光频移采用以下公式：总光频移
Figure BDA00028171921000000314
所述步骤4中计算需要充入的4He的量采用以下方式：求出当总光频移LZ＝0时的4He的量，即为需要向所述K-Rb混合原子气室中充入的4He的量。
所述利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定，包括饱和吸收稳频，微调工作点，通过调节激光器的电流、光强和气室温度对计算和充入定量气体过程中造成的误差进行补偿。
所述饱和吸收稳频系统采用直线型饱和吸收光路，具体光路为：抽运激光器发出的抽运激光经过光电隔离器和半波片后，由第一偏振分光棱镜分为两束，一束进入波长计用于测量波长，另一束经过透镜组扩束后由第二偏振分光棱镜分为两束，一束作为抽运光通过用来传感的K-Rb混合原子气室和凸透镜后由第一光电探测器、锁相放大器和计算机进行数据采集，另一束经过窗片反射通过用来稳频的K原子气室，这束光经过反射镜反射回来，在K原子气室中实现饱和吸收后透过所述窗片后由第二光电探测器、锁相放大器和计算机进行数据采集和处理。
所述K-Rb混合原子气室外围设置有无磁电加热和磁屏蔽系统，所述K-Rb混合原子气室与所述第二偏振分光棱镜之间设置有四分之一波片。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，有利于实现闭环控制K-Rb混合光频移，且能够使SERF(Spin Exchange Relaxation Free，无自旋交换弛豫)惯性测量装置通过简单的饱和吸收方法将频率稳定到所需工作点，为高精度测量提供稳定频率的光。该方法主要包括向气室充入定量气体和饱和吸收频率稳定系统两部分。通过对气室充入定量气体将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，并且利用饱和吸收频率稳定系统对SERF惯性测量装置进行频率稳定；本发明方法合理，光路简单紧凑，安装调节方便，实验操作简单，为高精度SERF惯性测量装置的研制提供了基础。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明通过充入气体改变工作中心频率点，能够同时满足抑制混合光频移和稳频，降低了其他方法对大失谐稳频的成本和难度。(2)本发明光路布局合理，结构简单，能节省SERF惯性测量装置空间，同时不影响原有抽运检测光对气室的作用，安装调节方便，实验操作简单，为高精度的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。
附图说明
图1是实施本发明一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法涉及的气体定量计算流程示意图。图1中包括以下步骤：步骤1，按照实验需求设计气室中K-Rb原子密度比和充入21Ne和N2的量(钾K，铷Rb，氖Ne，氮N)；步骤2，计算K和Rb原子的光频移；步骤3，计算总光频移；步骤4，计算需要充入的4He的量(氦He)，充入气室；步骤5，饱和吸收稳频，微调工作点。
图2是实施本发明一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法涉及的SERF惯性测量装置和饱和吸收频率稳定系统结构示意图。SERF是无自旋交换弛豫(Spin-ExchangeRelaxation-Free)。
附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-光隔离器(ISO)；3-半波片(λ/2)；4-第一偏振分光棱镜(PBS1)；5-透镜组；6-第二偏振分光棱镜(PBS2)；7-抽运光束；8-四分之一波片(λ/4)；9-K-Rb混合原子气室；10-无磁电加热和磁屏蔽系统；11-凸透镜；12-第一光电探测器(PD1)；13-第二光电探测器(PD2)；14-窗片；15-K原子气室；16-反射镜；17-锁相放大器；18-波长计；19-计算机。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法涉及的气体定量计算流程示意图。图2是实施本发明一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法涉及的SERF惯性测量装置和饱和吸收频率稳定系统结构示意图。参考图1和图2所示，一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，包括向SERF惯性测量装置中的K-Rb混合原子气室充入定量气体，通过所述定量气体实现工作中心频率改变，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定。所述充入定量气体包括以下步骤：步骤1，按照实验需求确定所述K-Rb混合原子气室中K-Rb原子的密度比Dr和充入21Ne和N2的量；步骤2，计算K和Rb原子的光频移；步骤3，计算总光频移；步骤4，计算需要充入的4He的量。
所述步骤2中计算K和Rb原子的光频移采用如下公式：
Figure BDA0002817192100000051
Figure BDA0002817192100000052
其中
Figure BDA0002817192100000053
是K原子的光频移；
Figure BDA0002817192100000054
是Rb原子的光频移；re为经典原子半径；c为光速；Φ是单位面积单位时间的光子通量；Sp为抽运光的偏振，理想情况下抽运光为圆偏振光，Sp等于1；γe是电子的旋磁比；v是抽运光的频率；
Figure BDA0002817192100000061
和
Figure BDA0002817192100000062
分别为K原子D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线振荡强度常数；
Figure BDA0002817192100000063
和
Figure BDA0002817192100000064
分别对应K的D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线的频率，由于K的D2线频率和K的D1线距离相对很大，在此可以忽略K的D2线光频移对总光频移的影响；
Figure BDA0002817192100000065
和
Figure BDA0002817192100000066
分别为充入气体造成的K原子D1线的中心频移和压力展宽，
Figure BDA0002817192100000067
和
Figure BDA0002817192100000068
分别为充入气体造成的Rb原子D1线和D2线的压力展宽，由于气体对Rb原子D1线和D2线造成的中心频移都相对较小，因此忽略。所述K和Rb原子的光频移计算公式的各项参数中，
Figure BDA0002817192100000069
和
Figure BDA00028171921000000610
与4He的量相关，其他参数均为常量。
所述
Figure BDA00028171921000000611
和
Figure BDA00028171921000000612
与4He的量具有如下相关公式：
Figure BDA00028171921000000613
Figure BDA00028171921000000614
Figure BDA00028171921000000615
Figure BDA00028171921000000616
其中，pNe、
Figure BDA00028171921000000617
pHe分别对应充入的21Ne、N2和4He的压强，
Figure BDA00028171921000000618
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的中心频移，
Figure BDA00028171921000000619
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA00028171921000000620
分别为Rb的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA0002817192100000071
分别为Rb的D2线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽。
所述步骤3中计算总光频移采用以下公式：总光频移
Figure BDA0002817192100000072
所述步骤4中计算需要充入的4He的量采用以下方式：求出当总光频移LZ＝0时的4He的量，即为需要向所述K-Rb混合原子气室中充入的4He的量。
所述利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定，包括饱和吸收稳频，微调工作点，通过调节激光器的电流、光强和气室温度对计算和充入定量气体过程中造成的误差进行补偿。所述饱和吸收稳频系统采用直线型饱和吸收光路，具体光路为：抽运激光器1发出的抽运激光经过光电隔离器2和半波片3后，由第一偏振分光棱镜4分为两束，一束进入波长计18用于测量波长，另一束经过透镜组5扩束后由第二偏振分光棱镜6分为两束，一束作为抽运光(抽运光束7)通过用来传感的K-Rb混合原子气室9和凸透镜11后由第一光电探测器12、锁相放大器17和计算机19进行数据采集，另一束经过窗片14反射通过用来稳频的K原子气室15，这束光经过反射镜16反射回来，在K原子气室15中实现饱和吸收后透过所述窗片14后由第二光电探测器13、锁相放大器17和计算机19进行数据采集和处理。所述K-Rb混合原子气室9外围设置有无磁电加热和磁屏蔽系统10，所述K-Rb混合原子气室9与所述第二偏振分光棱镜6之间设置有四分之一波片8。
本发明涉及一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于：包括向K-Rb混合原子气室充入定量气体和饱和吸收频率稳定系统。通过对气室充入定量气体实现工作中心频率移动，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统对SERF惯性测量装置进行频率稳定。
所述向气室充入定量气体采用如图1所示步骤：
步骤(1)：按照实验需求设计气室中K-Rb原子的密度比Dr和充入21Ne和N2的量。
步骤(2)：计算K和Rb原子的光频移。所述K原子和Rb原子的光频移计算公式如下：
Figure BDA0002817192100000073
Figure BDA0002817192100000081
其中
Figure BDA0002817192100000082
是K原子的光频移；
Figure BDA0002817192100000083
是Rb原子的光频移；re为经典原子半径；c为光速；Φ是单位面积单位时间的光子通量；Sp为抽运光的偏振，理想情况下抽运光为圆偏振光，Sp等于1；γe是电子的旋磁比；v是抽运光的频率；
Figure BDA0002817192100000084
和
Figure BDA0002817192100000085
分别为K原子D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线振荡强度常数；
Figure BDA0002817192100000086
和
Figure BDA0002817192100000087
分别对应K的D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线的频率，由于K的D2线频率和K的D1线距离相对很大，在此可以忽略K的D2线光频移对总光频移的影响；
Figure BDA0002817192100000088
和
Figure BDA0002817192100000089
分别为充入气体造成的K原子D1线的中心频移和压力展宽，
Figure BDA00028171921000000810
和
Figure BDA00028171921000000811
分别为充入气体造成的Rb原子D1线和D2线的压力展宽，由于气体对Rb原子D1线和D2线造成的中心频移都相对较小，因此可以忽略。
以上所述各项参数中，
Figure BDA00028171921000000812
和
Figure BDA00028171921000000813
与4He的量相关，其他参数均为常量。
Figure BDA00028171921000000814
Figure BDA00028171921000000815
Figure BDA00028171921000000816
Figure BDA00028171921000000817
其中，pNe、
Figure BDA00028171921000000818
pHe分别对应充入的21Ne、N2和4He的压强，
Figure BDA00028171921000000819
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的中心频移，
Figure BDA0002817192100000091
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA0002817192100000092
分别为Rb的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure BDA0002817192100000093
分别为Rb的D2线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽。
步骤(3)：得到总光频移
Figure BDA0002817192100000094
步骤(4)：求出当总光频移LZ＝0时的4He的量，向气室中充入4He。
步骤(5)：饱和吸收稳频，微调工作点，通过调节激光器的电流、光强和气室温度对计算和充气过程中造成的误差进行补偿。
所述饱和吸收稳频系统采用直线型饱和吸收光路，如图2所示，具体光路为：抽运激光经过光电隔离器(ISO)，半波片(λ/2)，由偏振分光棱镜1(PBS1)分为两束，一束用于测量波长，一束经过透镜组扩束，再由偏振分光棱镜2(PBS2)分为两束，一束作为抽运光通过用来传感的K-Rb混合原子气室，经过凸透镜后由PD1、锁相放大器和计算机进行数据采集，另一束经过窗片反射通过用来稳频的K原子气室，这束光经过反射镜反射回来，在K原子气室中实现饱和吸收，透过窗片后由PD2经锁相放大器和计算机进行数据采集和处理。
本发明的一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法原理如下：在同时充有K、Rb原子的气室中，具有会限制惯性测量灵敏度的混合光频移
Figure BDA0002817192100000095
当其中K原子的光频移
Figure BDA0002817192100000096
为0时，Rb原子的光频移
Figure BDA0002817192100000097
约为2nT，对于高精度惯性测量装置影响依然很大，因此需要找到一个工作点，使得K和Rb原子的光频移按照密度比进行抵消。按照光频移理论，理想的工作点应该在K的D1线短波方向某处，此处
Figure BDA0002817192100000098
为负值，且随失谐大小变化明显，
Figure BDA0002817192100000099
为很小的正值，且基本不随失谐大小变化，可以实现光频移抵消。为了让所述光频移为零的点位于K原子的D1线共振频率处，方便实现稳频，向气室内充入定量气体。不同种类和数量的气体对K和Rb原子的频移和压力展宽不同，通过计算和配比不同压强的4He、N2和21Ne，改变光频移和压力展宽的影响，使得混合光频移为零的位置移动到K的D1线频率点。
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，包括向SERF惯性测量装置中的K-Rb混合原子气室充入定量气体，通过所述定量气体实现工作中心频率改变，将K-Rb混合光频移为零的位置调整到K的D1线频率，同时利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定；
所述充入定量气体包括以下步骤：
步骤1，按照实验需求确定所述K-Rb混合原子气室中K-Rb原子的密度比Dr和充入21Ne和N2的量；
步骤2，计算K和Rb原子的光频移；
步骤3，计算总光频移；
步骤4，计算需要充入的4He的量；
所述步骤2中计算K和Rb原子的光频移采用如下公式：
Figure FDA0003303087670000011
Figure FDA0003303087670000012
其中
Figure FDA0003303087670000013
是K原子的光频移；
Figure FDA0003303087670000014
是Rb原子的光频移；re为经典原子半径；c为光速；Φ是单位面积单位时间的光子通量；Sp为抽运光的偏振，理想情况下抽运光为圆偏振光，Sp等于1；γe是电子的旋磁比；v是抽运光的频率；
Figure FDA0003303087670000015
和
Figure FDA0003303087670000016
分别为K原子D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线振荡强度常数；
Figure FDA0003303087670000017
和
Figure FDA0003303087670000018
分别对应K的D1线、Rb的D1线以及Rb的D2线的频率，由于K的D2线频率和K的D1线距离相对很大，在此可以忽略K的D2线光频移对总光频移的影响；
Figure FDA0003303087670000019
和
Figure FDA00033030876700000110
分别为充入气体造成的K原子D1线的中心频移和压力展宽，
Figure FDA00033030876700000111
和
Figure FDA00033030876700000112
分别为充入气体造成的Rb原子D1线和D2线的压力展宽，由于气体对Rb原子D1线和D2线造成的中心频移都相对较小，因此忽略。
2.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述K和Rb原子的光频移计算公式的各项参数中，
Figure FDA0003303087670000021
和
Figure FDA0003303087670000022
与4He的量相关，其他参数均为常量。
3.根据权利要求2所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述
Figure FDA0003303087670000023
和
Figure FDA0003303087670000024
与4He的量具有如下相关公式：
Figure FDA0003303087670000025
Figure FDA0003303087670000026
Figure FDA0003303087670000027
Figure FDA0003303087670000028
其中，pNe、
Figure FDA0003303087670000029
pHe分别对应充入的21Ne、N2和4He的压强，
Figure FDA00033030876700000210
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的中心频移，
Figure FDA00033030876700000211
分别为K的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure FDA00033030876700000212
分别为Rb的D1线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽，
Figure FDA00033030876700000213
分别为Rb的D2线在一个大气压的21Ne、N2和4He中产生的压力展宽。
4.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述步骤3中计算总光频移采用以下公式：总光频移
Figure FDA00033030876700000214
5.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述步骤4中计算需要充入的4He的量采用以下方式：求出当总光频移LZ＝0时的4He的量，即为需要向所述K-Rb混合原子气室中充入的4He的量。
6.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述利用饱和吸收频率稳定系统对所述SERF惯性测量装置进行频率稳定，包括饱和吸收稳频，微调工作点，通过调节激光器的电流、光强和气室温度对计算和充入定量气体过程中造成的误差进行补偿。
7.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述饱和吸收稳频系统采用直线型饱和吸收光路，具体光路为：抽运激光器发出的抽运激光经过光电隔离器和半波片后，由第一偏振分光棱镜分为两束，一束进入波长计用于测量波长，另一束经过透镜组扩束后由第二偏振分光棱镜分为两束，一束作为抽运光通过用来传感的K-Rb混合原子气室和凸透镜后由第一光电探测器、锁相放大器和计算机进行数据采集，另一束经过窗片反射通过用来稳频的K原子气室，这束光经过反射镜反射回来，在K原子气室中实现饱和吸收后透过所述窗片后由第二光电探测器、锁相放大器和计算机进行数据采集和处理。
8.根据权利要求1所述的基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法，其特征在于，所述K-Rb混合原子气室外围设置有无磁电加热和磁屏蔽系统，所述K-Rb混合原子气室与所述第二偏振分光棱镜之间设置有四分之一波片。
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