CN114001725B - 抽运激光与磁场方位对准装置及方法 - Google Patents

抽运激光与磁场方位对准装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114001725B
CN114001725B CN202111239329.XA CN202111239329A CN114001725B CN 114001725 B CN114001725 B CN 114001725B CN 202111239329 A CN202111239329 A CN 202111239329A CN 114001725 B CN114001725 B CN 114001725B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pump laser
magnetic field
axis
coils
circularly polarized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111239329.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114001725A (zh
Inventor
张红
罗文浩
刘岩
杨仁福
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute Of Quantum Information Science
Original Assignee
Beijing Institute Of Quantum Information Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute Of Quantum Information Science filed Critical Beijing Institute Of Quantum Information Science
Priority to CN202111239329.XA priority Critical patent/CN114001725B/zh
Publication of CN114001725A publication Critical patent/CN114001725A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114001725B publication Critical patent/CN114001725B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/60—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本申请涉及一种抽运激光与磁场方位对准装置及方法。抽运激光与磁场方位对准装置包括圆偏振抽运激光光路、第一反射镜、磁屏蔽桶、加热装置、X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、光电探测器和数字锁相放大器。所述Z轴亥姆霍兹线圈包括两个第一线圈和两个第二线圈。所述两个第一线圈用于产生Z轴方向上的直流应用磁场。所述两个第二线圈用于产生Z轴方向上的正弦扫描磁场。通过移动沿X轴和Y轴方向移动所述第一反射镜，使所述数字锁相放大器显示所述光电探测器输出信号的幅值达到最大值，完成对准，实验结果便于观测、本方法操作简单且实用性强。

Description

抽运激光与磁场方位对准装置及方法
技术领域
本申请涉及光学检测、磁场探测与分析技术领域，特别是涉及抽运激光与磁场方位对准装置及方法。
背景技术
核磁共振陀螺仪工作中惰性气体极化需要抽运激光及与其同方位的直流磁场共同作用完成，但事实上抽运激光与磁场方位之间往往存在夹角，这将导致极化时间延长、极化效率降低等问题而最终影响核磁共振陀螺仪性能。
现有的驱动激光与磁场方位对准方法主要采用先用三维磁场主动磁补偿方法，消除磁屏蔽场内残余磁场，主动产生Z轴方向主磁场，X轴施加调制磁场Bxfsin(ωt)，调节驱动激光在X轴的方位投影，直到Ptrans的输出不再包含频率为ω的项，再Y轴施加调制磁场Byfsin(ωt),调节驱动激光在Y轴的方位投影，直到Ptrans的输出不再包含频率为ω的项，完成方位对准。
传统的方位对准方法需要分别在X轴、Y轴施加调制磁场,检验的输出中是否包含频率为ω的项，步骤复杂，给实际对准操作增加难度。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中方位对准方式复杂，实用难度大的问题，提供一种抽运激光与磁场方位对准装置及方法。
本申请一个实施例提供一种抽运激光与磁场方位对准装置，包括：
圆偏振抽运激光光路，用于产生圆偏振抽运激光；
第一反射镜，与所述圆偏振抽运激光光路间隔设置；
磁屏蔽桶，设置于所述第一反射镜的反光路径，所述磁屏蔽桶包括容纳腔；
碱金属气室、加热装置、X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈，位于所述容纳腔，所述碱金属气室位于所述X轴亥姆霍兹线圈、所述Y轴亥姆霍兹线圈和所述Z轴亥姆霍兹线圈包围形成的空间内，所述加热装置用于加热所述碱金属气室，所述圆偏振抽运激光通过所述第一反射镜入射至所述碱金属气室；
所述Z轴亥姆霍兹线圈包括两个第一线圈和两个第二线圈，所述两个第一线圈和所述两个第二线圈均平行设置，所述两个第二线圈位于所述两个第一线圈之间；
第一恒流源，连接所述两个第一线圈；
第二恒流源，连接所述X轴亥姆霍兹线圈；
第三恒流源，连接所述Y轴亥姆霍兹线圈；
光电探测器，用于接收经过所述碱金属气室的所述圆偏振抽运激光；
数字锁相放大器，分别与所述光电探测器、所述两个第二线圈连接，用于显示所述光电探测器输出信号幅值，并且所述数字锁相放大器用于控制所述两个第二线圈产生正弦磁场。
在一个实施例中，还包括：
第二反射镜和凸透镜，所述第二反射镜用于将经过所述磁屏蔽桶后的所述圆偏振抽运激光通过所述凸透镜折射至所述光电探测器。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路包括：
抽运激光器，用于产生抽运激光；
光隔离器，用于接收所述抽运激光，使所述抽运激光进行单向传输；
二分之一波片，用于接收通过所述光隔离器的所述抽运激光；
偏振分光棱镜，用于将通过所述二分之一波片的抽运激光分成第一偏振抽运激光和第二偏振抽运激光；
四分之一波片，用于将所述第一偏振抽运激光转换成所述圆偏振抽运激光。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路还包括：
扩束器，设置于所述偏振分光棱镜和所述四分之一波片之间，所述第一偏振抽运激光经过所述扩束器扩束后进入所述四分之一波片。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路还包括：
第三反射镜，与所述第一反射镜平行设置，用于将经过所述四分之一波片后的所述圆偏振抽运激光反射至所述第一反光镜。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路还包括：
抽运激光稳频系统，与所述抽运激光器连接，用于接收所述第二偏振抽运激光，并检测所述第二偏振抽运激光的频率，并根据所述第二偏振抽运激光的频率控制所述抽运激光器发出所述抽运激光。
在一个实施例中，所述抽运激光器包括分布反馈式激光器。
本申请一个实施例提供一种抽运激光与磁场方位对准方法，采用上述对准装置，所述方法包括：
S10，对所述碱金属气室进行加热；
S20，所述圆偏振抽运激光经过所述第一反射镜进入所述磁屏蔽桶；
S30，通过控制所述第一恒流源、所述第二恒流源和所述第三恒流源利用交叉调制方法将所述磁屏蔽桶内残余磁场补偿至近零值；
S40，控制所述两个第一线圈产生直流磁场，控制所述数字锁相器使所述两个第二线圈产生所述正弦磁场；
S50,分别调节所述第一反射镜沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器显示的所述光电探测器输出信号的幅值达到最大值。
在一个实施例中，所述S50包括：以所述第一线圈产生的所述直流磁场方向为基准方向，分别调节所述第一反射镜沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器显示的光电探测器输出信号的幅值达到最大值。
在一个实施例中，S50分别调节所述第一反射镜沿X轴、Y轴移动，使得所述数字锁相放大器显示的所述光电探测器输出信号的幅值达到最大值，包括：
S501，调节所述第一反射镜沿X轴方向移动，当所述数字锁相放大器显示的光电探测器输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动；
S502，调节所述第一反射镜沿Y轴方向移动，当所述数字锁相放大器显示的所述光电探测器输出信号幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。
一种抽运激光与磁场方位对准装置包括圆偏振抽运激光光路、第一反射镜、磁屏蔽桶、加热装置、X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、光电探测器和数字锁相放大器。所述圆偏振抽运激光光路用于产生圆偏振抽运激光。所述第一反射镜与所述圆偏振抽运激光光路间隔设置。所述磁屏蔽桶设置于所述第一反射镜的反光路径。所述磁屏蔽桶包括容纳腔。所述碱金属气室、所述加热装置、所述X轴亥姆霍兹线圈、所述Y轴亥姆霍兹线圈和所述Z轴亥姆霍兹线圈位于所述容纳腔。所述碱金属气室位于所述X轴亥姆霍兹线圈、所述Y轴亥姆霍兹线圈和所述Z轴亥姆霍兹线圈包围形成的空间内。所述加热装置用于加热所述碱金属气室。所述圆偏振抽运激光通过所述第一反射镜入射至所述碱金属气室。所述Z轴亥姆霍兹线圈包括两个第一线圈和两个第二线圈。所述两个第一线圈和所述两个第二线圈均平行设置。所述两个第二线圈位于所述两个第一线圈之间。所述第一恒流源连接所述两个第一线圈。所述第二恒流源连接所述X轴亥姆霍兹线圈。所述第三恒流源连接所述Y轴亥姆霍兹线圈。所述光电探测器用于接收经过所述碱金属气室的所述圆偏振抽运激光。所述数字锁相放大器分别与所述光电探测器、所述两个第二线圈连接。所述数字锁相放大器用于显示所述光电探测器输出信号幅值。所述数字锁相放大器用于控制所述两个第二线圈产生正弦磁场。对所述碱金属气室进行加热。所述圆偏振抽运激光经过所述第一反射镜进入所述磁屏蔽桶。通过控制所述第一恒流源、所述第二恒流源和所述第三恒流源利用交叉调制方法将所述磁屏蔽桶内残余磁场补偿至近零值。控制所述两个第一线圈产生直流磁场，控制所述数字锁相器使所述两个第二线圈产生所述正弦磁场。分别调节所述第一反射镜沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器显示的所述光电探测器输出信号的幅值达到最大值。在进行抽运激光与磁场方位对准的过程中利用所述两个第一线圈产生所述直流磁场并且利用所述两个第二线圈产生所述正弦磁场，通过调节所述第一反射镜在X轴、Y轴方向上的移动，使得所述光电探测器输出信号幅值达到最大值即可完成对准，实验结果便于观测、本方法操作简单且实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的抽运激光与磁场方位对准装置的结构示意图一；
图2为本申请一实施例提供的抽运激光与磁场方位对准装置的结构示意图二；
图3为本申请一实施例提供的抽运激光与磁场方位对准过程中光电探测器输出信号变化的仿真结果示意图；
图4为本申请一实施例提供的抽运激光与磁场方位对准过程中光电探测器输出信号变化的实验结果示意图。
附图标号：
抽运激光与磁场方位对准装置10、圆偏振抽运激光光路100、抽运激光器110、光隔离器120、二分之一波片130、偏振分光棱镜140、扩束器150、四分之一波片160、第三反射镜170、第一反射镜200、磁屏蔽桶310、碱金属气室320、加热装置330、X轴亥姆霍兹线圈410、Y轴亥姆霍兹线圈420、Z轴亥姆霍兹线圈430、第一线圈431、第二线圈432、第一恒流源510、第二恒流源520、第三恒流源530、光电探测器610、数字锁相放大器620、第二反射镜710、凸透镜720、抽运激光稳频系统800。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1，本申请实施例提供一种抽运激光与磁场方位对准装置包括圆偏振抽运激光光路100、第一反射镜200、磁屏蔽桶310、加热装置330、X轴亥姆霍兹线圈410、Y轴亥姆霍兹线圈420、Z轴亥姆霍兹线圈430、第一恒流源510、第二恒流源520、第三恒流源530、光电探测器610和数字锁相放大器620。
所述圆偏振抽运激光光路100用于产生圆偏振抽运激光。所述第一反射镜200与所述圆偏振抽运激光光路100间隔设置。所述磁屏蔽桶310设置于所述第一反射镜200的反光路径。所述磁屏蔽桶310包括容纳腔。所述碱金属气室320、所述加热装置330、所述X轴亥姆霍兹线圈410、所述Y轴亥姆霍兹线圈420和所述Z轴亥姆霍兹线圈430位于所述容纳腔。所述碱金属气室320位于所述X轴亥姆霍兹线圈410、所述Y轴亥姆霍兹线圈420和所述Z轴亥姆霍兹线圈430包围形成的空间内。所述加热装置330用于加热所述碱金属气室320。所述圆偏振抽运激光通过所述第一反射镜200入射至所述碱金属气室320。所述Z轴亥姆霍兹线圈430包括两个第一线圈431和两个第二线圈432。所述两个第一线圈431和所述两个第二线圈432均平行设置。所述两个第二线圈432位于所述两个第一线圈431之间。所述第一恒流源510连接所述两个第一线圈431。所述第二恒流源520连接所述X轴亥姆霍兹线圈410。所述第三恒流源530连接所述Y轴亥姆霍兹线圈420。所述光电探测器610用于接收经过所述碱金属气室320的所述圆偏振抽运激光。所述数字锁相放大器620分别与所述光电探测器610、所述两个第二线圈432连接。所述数字锁相放大器620用于显示所述光电探测器610输出信号幅值。并且所述数字锁相放大器620用于控制所述两个第二线圈432产生正弦磁场。
所述X轴亥姆霍兹线圈410、所述Y轴亥姆霍兹线圈420为常见的亥姆霍兹线圈。所述X轴亥姆霍兹线圈410、所述Y轴亥姆霍兹线圈420和所述Z轴亥姆霍兹线圈430用于应用交叉调制法将所述磁屏蔽桶310内残余磁场补偿至近零值。
所述Z轴亥姆霍兹线圈430包括两个第一线圈431和两个第二线圈432。所述两个第一线圈431和所述两个第二线圈432均平行设置。所述两个第二线圈432位于所述两个第一线圈431之间。所述两个第一线圈431用于产生Z轴方向上的直流应用磁场。所述两个第二线圈432用于产生Z轴方向上的正弦扫描磁场。
所述光电探测器610包括THORLABS公司的PDA10A2型号光电探测器。
所述数字锁相放大器620包括多功能锁相放大器。所述数字锁相放大器620包括示波器功能。所述数字锁相放大器620与所述光电探测器610连接直接显示所述光电探测器610输出信号幅值。所述数字锁相放大器620与所述两个第二线圈432连接，用于使所述两个第二线圈432用于产生Z轴方向上的正弦扫描磁场。
本申请实施例中设置所述两个第一线圈431产生Z轴方向上的所述直流应用磁场，设置所述两个第二线圈432产生Z轴方向上的所述正弦扫描磁场，通过沿X轴和Y轴方向移动所述第一反射镜200，使所述数字锁相放大器620显示所述光电探测器610输出信号的幅值达到最大值，完成对准。本申请实施例的结果便于观测、本方法操作简单且实用性强。
请一并参见图2，在一个实施例中，所述抽运激光与磁场方位对准装置还包括第二反射镜710和凸透镜720。所述第二反射镜710用于将经过所述磁屏蔽桶310后的所述圆偏振抽运激光通过所述凸透镜720折射至所述光电探测器610。
所述第二反射镜710用于反射经过所述磁屏蔽桶310后的所述圆偏振抽运激光，所述凸透镜720用于汇聚所述第二反射镜710反射的经过所述磁屏蔽桶310后的所述圆偏振抽运激光，形成较强的激光光斑被所述光电探测器610接收。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路100包括抽运激光器110、光隔离器120、二分之一波片130、偏振分光棱镜140和四分之一波片160。所述抽运激光器110用于产生抽运激光。所述光隔离器120用于接收所述抽运激光器110产生的所述抽运激光，使所述抽运激光进行单向传输。所述二分之一波片130用于接收通过所述光隔离器120的所述抽运激光。所述偏振分光棱镜140用于将通过所述二分之一波片130的抽运激光分成第一偏振抽运激光和第二偏振抽运激光。所述四分之一波片160用于将所述第一偏振抽运激光转换成所述圆偏振抽运激光。
所述光隔离器120包括武汉优光科技(型号3014010029)光隔离器。
在本申请的实施例中，所述二分之一波片130与所述偏振分光棱镜140联合使用。所述抽运激光器110直接发射出的所述抽运激光不是理想的线偏振光。所述抽运激光经过所述偏振分光棱镜140后的所述第一偏振抽运激光和所述第二偏振抽运激光均为理想的线偏振激光。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路100还包括扩束器150。所述扩束器150设置于所述偏振分光棱镜140和所述四分之一波片160之间。所述第一偏振抽运激光经过所述扩束器150扩束后进入所述四分之一波片160。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路100还包括第三反射镜170。所述第三反射镜170与所述第一反射镜200平行。所述第三反射镜170用于将经过所述四分之一波片160后的所述圆偏振抽运激光反射至所述第一反光镜。
在一个实施例中，所述圆偏振抽运激光光路100还包括抽运激光稳频系统800。所述抽运激光稳频系统800与所述抽运激光器110连接。所述抽运激光稳频系统800用于接收所述第二偏振抽运激光，并检测所述第二偏振抽运激光的频率，并根据所述第二偏振抽运激光的频率控制所述抽运激光器110发出所述抽运激光。
所述抽运激光稳频系统800用于接收所述第二偏振抽运激光，并检测所述第二偏振抽运激光的频率。所述抽运激光稳频系统800所述抽运激光稳频系统800与所述抽运激光器110连接，用于根据检测的所述第二偏振抽运激光的频率输出控制信号，控制所述抽运激光器110发出稳定所述抽运激光。
所述抽运激光稳频系统800用于确保所述抽运激光的频率稳定，降低由所述抽运激光频率抖动来带的对准误差。
在一个实施例中，所述抽运激光器110包括分布反馈式激光器。
本申请实施例还提供一种抽运激光与磁场方位对准方法，采用上述所述的对准装置。所述方法包括对所述碱金属气室320进行加热。所述圆偏振抽运激光经过所述第一反射镜200进入所述磁屏蔽桶310。通过控制所述第一恒流源510、所述第二恒流源520和所述第三恒流源530利用交叉调制方法将所述磁屏蔽桶310内残余磁场补偿至近零值。控制所述两个第一线圈431产生直流磁场，控制所述数字锁相器使所述两个第二线圈432产生所述正弦磁场。分别调节所述第一反射镜200沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到最大值。
基于图2所示的装置结构示意图，本申请实施例采用Bloch方程组描述所述碱金属气室320中Rb原子的动力学过程：
Figure BDA0003318652340000111
式(1)中，
Figure BDA0003318652340000112
分别为电子极化率在X、Y、Z三轴投影，γe为电子旋磁比，Bx、By、Bz分别为X、Y、Z三轴磁场，Rp为抽运率，R1、R2分别为纵向弛豫率与横向弛豫率。将上述方程组左侧设为零，求解其稳态解：
Figure BDA0003318652340000113
所述圆偏振抽运激光沿Z轴传播，经过所述碱金属气室320后被所述光电探测器610接收，则所述光电探测器610的输出信号Ptrans与电子极化率在Z轴投影成正比：
Figure BDA0003318652340000114
即，
Figure BDA0003318652340000115
式中，KPD为所述光电探测器610转换系数。
沿Z轴施加所述直流应用磁场，同时施加所述正弦扫描磁场。那么，当所述圆偏振抽运激光与所述Z轴磁场方向未对准时，Z轴的所述直流应用磁场与所述正弦扫描磁场均会在X、Y方向产生投影，此时公式(4)为：
Figure BDA0003318652340000121
式(5)中，Bz0、Bzfsin(ωt)分别为在Z轴施加的直流磁场与扫描磁场，Bz0-x、Bz0-y分别为直流磁场Bz0在X、Y轴的投影，Bzf-xsin(ωt)、Bzf-ysin(ωt)分别为扫描磁场Bzfsin(ωt)在X、Y轴的投影。
本申请实施例基于上述原理，通过沿X轴、Y轴移动所述第一反射镜200，直至所述光电探测器610的输出信号的幅值达到最大时完成对准。
所述交叉调制方法包括由普林斯顿大学提出的无自旋交换弛豫原子磁强计的非屏蔽三轴矢量操作。通过控制所述第一恒流源510、所述第二恒流源520和所述第三恒流源530使所述X轴亥姆霍兹线圈410、所述Y轴亥姆霍兹线圈420和所述Z轴亥姆霍兹线圈430产生补偿磁场。
在一个实施例中，以所述第一线圈431产生的所述直流磁场方向为基准方向，分别调节所述第一反射镜200沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到最大值。
所述直流磁场和所述正弦磁场的方向均为Z轴方向。
在一个实施例中，分别调节所述第一反射镜200沿X轴、Y轴移动，使得所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到最大值，包括调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，当所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。再调节所述第一反射镜200沿Y轴方向移动，当所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。
本申请的一个实施例中，分别调节所述第一反射镜200沿X轴、Y轴移动，使得所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到最大值，还包括调节所述第一反射镜200沿Y轴方向移动，当所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。再调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，当所述数字锁相放大器620显示的所述光电探测器610输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。
在一个实施例中,对所述圆偏振抽运激光与磁场方位对准进行仿真。将碱金属气室320加热至100℃～120℃。将所述抽运激光功率调节至1.5mW～2mW。X轴亥姆霍兹线圈410、Y轴亥姆霍兹线圈420线圈可以为10nT/mA。第一线圈431可以为10nT/mA，第二线圈432可以为7nT/mA利用所述交叉调制方法首先将磁屏蔽桶310内残余磁场补偿至近零值。所述第一线圈431产生幅值为2000nT的所述直流应用磁场Bz0，同时，利用所述数字锁相放大器620使第二线圈432产生峰峰值为4000nT、频率为10Hz的所述正弦扫描磁场Bzfsin(ωt)。以所述直流磁场方向为基准。首先使所述第一反射镜200的沿X轴方向移动，观测所述光电探测器610信号幅度变化，直至所述光电探测器610探测的信号幅度达到最大，再使所述第一反射镜200的沿Y轴方向移动，直至所述光电探测器610探测的信号幅度达到最大。重复使所述第一反射镜200沿X轴和Y轴移动，直至所述光电探测器610探测的信号幅度最大，实现了所述圆偏振抽运激光与磁场方位对准。
请一并参见图3，横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为幅度(单位：V.)。点线为所述圆偏振抽运激光与所述磁场方位未对准时(即初始状态，假设未对准时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在X、Y轴的投影均为20％)所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.1629V；虚线为通过初步调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光不断地沿该轴向所述Z轴磁场方向靠近(假设此时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在X轴的投影为10％，而Y轴的投影仍为20％)时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.16999V；点划线为通过进一步调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光与Z轴所述磁场在该方向点重合(即此时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在X轴无投影，而Y轴的投影仍为20％)时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.17248V；实线为通过初步调节所述第一反射镜200沿Y轴方向，使所述圆偏振抽运激光不断地向所述Z轴磁场方向靠近(假设此时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在Y轴的投影为13％，而X轴已无投影)时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.17855V；带有星标的虚线为通过进一步调节所述第一反射镜200沿Y轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光不断地向所述Z轴磁场方向靠近(假设此时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在Y轴的投影为7％，而X轴已无投影)时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18187V；带有圆圈标记的点画线为所述圆偏振抽运激光与所述磁场方位对准时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18326V。
图4为采用本发明一种适用于核磁共振陀螺仪的抽运激光与磁场方位对准方法的光磁对实验准结果。横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为幅度(单位：V.)。实线为所述圆偏振抽运激光与所述磁场方位未对准时，所述光电探测器610的输出信号幅度为0.16558V；虚线为通过初步调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光不断地向所述Z轴磁场方向靠近，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.17634V；点划线为通过调节所述第一反射镜200沿X轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光与所述Z轴磁场在该方向点重合(即此时Z轴的所述直流磁场与所述扫描磁场在X轴投影极小)时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18465V；点线为通过初步调节所述第一反射镜200沿Y轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光方向不断地向所述Z轴磁场靠近时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18546V；带有星标的虚线为通过调节所述第一反射镜200沿Y轴方向移动，使所述圆偏振抽运激光沿该方向进一步向所述Z轴磁场靠近时，所述光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18591V；带有圆圈标记的点画线为所述圆偏振抽运激光与所述磁场方位对准时，光电探测器610的输出信号，其幅度为0.18719V。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，包括：
圆偏振抽运激光光路(100)，用于产生圆偏振抽运激光；
第一反射镜(200)，与所述圆偏振抽运激光光路(100)间隔设置；
磁屏蔽桶(310)，设置于所述第一反射镜(200)的反光路径，所述磁屏蔽桶(310)包括容纳腔；
碱金属气室(320)、加热装置(330)、X轴亥姆霍兹线圈(410)、Y轴亥姆霍兹线圈(420)和Z轴亥姆霍兹线圈(430)，位于所述容纳腔，所述碱金属气室(320)位于所述X轴亥姆霍兹线圈(410)、所述Y轴亥姆霍兹线圈(420)和所述Z轴亥姆霍兹线圈(430)包围形成的空间内，所述加热装置(330)用于加热所述碱金属气室(320)，所述圆偏振抽运激光通过所述第一反射镜(200)入射至所述碱金属气室(320)；
所述Z轴亥姆霍兹线圈(430)包括两个第一线圈(431)和两个第二线圈(432)，所述两个第一线圈(431)和所述两个第二线圈(432)均平行设置，所述两个第二线圈(432)位于所述两个第一线圈(431)之间；
第一恒流源(510)，连接所述两个第一线圈(431)；
第二恒流源(520)，连接所述X轴亥姆霍兹线圈(410)；
第三恒流源(530)，连接所述Y轴亥姆霍兹线圈(420)；
光电探测器(610)，用于接收经过所述碱金属气室(320)的所述圆偏振抽运激光；
数字锁相放大器(620)，分别与所述光电探测器(610)、所述两个第二线圈(432)连接，用于显示所述光电探测器(610)输出信号幅值，并且所述数字锁相放大器(620)用于控制所述两个第二线圈(432)产生正弦磁场。
2.如权利要求1所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，还包括：
第二反射镜(710)和凸透镜(720)，所述第二反射镜(710)用于将经过所述磁屏蔽桶(310)后的所述圆偏振抽运激光通过所述凸透镜(720)折射至所述光电探测器(610)。
3.如权利要求2所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，所述圆偏振抽运激光光路(100)包括：
抽运激光器(110)，用于产生抽运激光；
光隔离器(120)，用于接收所述抽运激光，使所述抽运激光进行单向传输；
二分之一波片(130)，用于接收通过所述光隔离器(120)的所述抽运激光；
偏振分光棱镜(140)，用于将通过所述二分之一波片(130)的抽运激光分成第一偏振抽运激光和第二偏振抽运激光；
四分之一波片(160)，用于将所述第一偏振抽运激光转换成所述圆偏振抽运激光。
4.如权利要求3所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，所述圆偏振抽运激光光路(100)还包括：
扩束器(150)，设置于所述偏振分光棱镜(140)和所述四分之一波片(160)之间，所述第一偏振抽运激光经过所述扩束器(150)扩束后进入所述四分之一波片(160)。
5.如权利要求4所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，所述圆偏振抽运激光光路(100)还包括：
第三反射镜(170)，与所述第一反射镜(200)平行设置，用于将经过所述四分之一波片(160)后的所述圆偏振抽运激光反射至所述第一反射镜(200)。
6.如权利要求5所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，所述圆偏振抽运激光光路(100)还包括：
抽运激光稳频系统(800)，与所述抽运激光器(110)连接，用于接收所述第二偏振抽运激光，并检测所述第二偏振抽运激光的频率，并根据所述第二偏振抽运激光的频率控制所述抽运激光器(110)发出所述抽运激光。
7.如权利要求6所述的抽运激光与磁场方位对准装置，其特征在于，所述抽运激光器(110)包括分布反馈式激光器。
8.一种抽运激光与磁场方位对准方法，其特征在于，采用权利要求1所述的对准装置，所述方法包括：
S10，对所述碱金属气室(320)进行加热；
S20，所述圆偏振抽运激光经过所述第一反射镜(200)进入所述磁屏蔽桶(310)；
S30，通过控制所述第一恒流源(510)、所述第二恒流源(520)和所述第三恒流源(530)利用交叉调制方法将所述磁屏蔽桶(310)内残余磁场补偿至近零值；
S40，控制所述两个第一线圈(431)产生直流磁场，控制所述数字锁相放大器(620)使所述两个第二线圈(432)产生所述正弦磁场；
S50,分别调节所述第一反射镜(200)沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器(620)显示的所述光电探测器(610)输出信号的幅值达到最大值。
9.如权利要求8所述的抽运激光与磁场方位对准方法，其特征在于，所述S50包括：以所述第一线圈(431)产生的所述直流磁场方向为基准方向，分别调节所述第一反射镜(200)沿X轴方向、Y轴方向移动，使得所述数字锁相放大器(620)显示的所述光电探测器(610)输出信号的幅值达到最大值。
10.如权利要求9所述的抽运激光与磁场方位对准方法，其特征在于，S50分别调节所述第一反射镜(200)沿X轴、Y轴移动，使得所述数字锁相放大器(620)显示的所述光电探测器(610)输出信号的幅值达到最大值，包括：
S501，调节所述第一反射镜(200)沿X轴方向移动，当所述数字锁相放大器(620)显示的所述光电探测器(610)输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动；
S502，调节所述第一反射镜(200)沿Y轴方向移动，当所述数字锁相放大器(620)显示的所述光电探测器(610)输出信号的幅值达到移动过程中的最大值，停止移动。
CN202111239329.XA 2021-10-25 2021-10-25 抽运激光与磁场方位对准装置及方法 Active CN114001725B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111239329.XA CN114001725B (zh) 2021-10-25 2021-10-25 抽运激光与磁场方位对准装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111239329.XA CN114001725B (zh) 2021-10-25 2021-10-25 抽运激光与磁场方位对准装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114001725A CN114001725A (zh) 2022-02-01
CN114001725B true CN114001725B (zh) 2022-12-02

Family

ID=79923655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111239329.XA Active CN114001725B (zh) 2021-10-25 2021-10-25 抽运激光与磁场方位对准装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114001725B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4544891A (en) * 1982-11-23 1985-10-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Nuclear magnetic resonance gyroscope
CN105258690A (zh) * 2015-10-28 2016-01-20 北京自动化控制设备研究所 一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法
CN105509725A (zh) * 2016-03-08 2016-04-20 中国航空工业第六一八研究所 一种小型化核磁共振陀螺仪
CN110849393A (zh) * 2019-11-19 2020-02-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及系统
WO2021110318A1 (de) * 2019-12-06 2021-06-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur ermittlung einer änderung einer rotatorischen orientierung im raum eines nmr-gyroskops und nmr-gyroskop

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7728587B2 (en) * 2007-07-31 2010-06-01 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Self-calibrating nuclear magnetic resonance gyro
US9651378B2 (en) * 2014-02-24 2017-05-16 Northrop Grumman Systems Corporation Nuclear magnetic resonance gyroscope system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4544891A (en) * 1982-11-23 1985-10-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Nuclear magnetic resonance gyroscope
CN105258690A (zh) * 2015-10-28 2016-01-20 北京自动化控制设备研究所 一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法
CN105509725A (zh) * 2016-03-08 2016-04-20 中国航空工业第六一八研究所 一种小型化核磁共振陀螺仪
CN110849393A (zh) * 2019-11-19 2020-02-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及系统
WO2021110318A1 (de) * 2019-12-06 2021-06-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur ermittlung einer änderung einer rotatorischen orientierung im raum eines nmr-gyroskops und nmr-gyroskop

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
核磁共振陀螺高精度磁场驱动技术;陆麒麟等;《北京航空航天大学学报》;20180710;第44卷(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114001725A (zh) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108508382B (zh) 一种基于serf原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置
CN105301541B (zh) 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
CN108287322B (zh) 一种无响应盲区的原子磁力仪及其测量外磁场的方法
CN108693488B (zh) 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置
CN112946542B (zh) 一种基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法
US20130082700A1 (en) Nuclear magnetic resonance imaging apparatus and nuclear magnetic resonance imaging method
US10274549B1 (en) Scalar atomic magnetometer with heading error suppression
CN109738837B (zh) 一种用于单光束serf原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法
US20130082701A1 (en) Nuclear magnetic resonance imaging apparatus and nuclear magnetic resonance imaging method
JP2017207513A (ja) 光ポンピング磁力計
CN111044948B (zh) 一种基于钾铷混合抽运的高空间分辨率矢量磁场测量装置
US11054489B2 (en) Vector magnetometer in alignment with two differently polarised probe beams
CN112946541B (zh) 一种碱金属原子自旋全光学控制系统及探测方法
US20090080479A1 (en) Method and system for operating an atomic clock using a self-modulated laser with electrical modulation
CN110988759A (zh) 一种全向磁光光泵磁力仪
CN110849393A (zh) 核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及系统
CN114001725B (zh) 抽运激光与磁场方位对准装置及方法
CN210376655U (zh) 一种基于多程环形光腔的光泵原子磁力仪
CN114018290B (zh) 一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法
CN114061558B (zh) 核磁共振陀螺仪
CN110411434A (zh) 一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法
CN105896237A (zh) 一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及调整方法
CN102981396B (zh) 双调制互注入的相干双色光源生成装置
CN112557971B (zh) 一种高灵敏度激光光泵磁强计及设计方法
US20200200839A1 (en) Magnetometer with optical pumping of a sensitive element with linearly polarised light and multiple-pass in the sensitive element

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant