CN114018290B - 一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，特别是一种以原子自旋信号为基准的抽运检测激光正交对准方法。该方法首先通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准，然后根据横向交流磁场响应和抽运激光经气室后的出光信号微调抽运激光使其与气室精确对准。其次基于抽运出光中携带的原子自旋进动信号调节横向补偿磁场使合磁场方向与抽运激光平行。最后根据快速开关抽运激光时检测激光探测到的旋光角信号微调检测激光与合磁场方向(即抽运激光方向)正交。本发明可实现抽运激光和检测激光的精确正交对准，抑制由激光非对准引起的原子自旋弛豫和抽运激光功率、频率耦合误差，提高原子自旋惯性测量系统的测量精度和长期稳定性。

Description

一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法

技术领域

本发明涉及一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，特别是一种以原子自旋旋光角检测信号为基准的抽运激光和检测激光正交对准方法，属于原子自旋惯性测量领域。

背景技术

操作在无自旋交换弛豫(Spin-exchange relaxation-free,SERF)状态下的原子自旋惯性测量装置由于其特殊的动力学特性在近些年来受到越来越多地关注，它已经被广泛应用于基础物理学研究，如洛伦兹和宇称及时间反演(Charge,Parity,and TimeReversal Symmetry,CPT)对称性破缺的测试、探测超轻类轴子粒子以及寻找异常自旋力等。同时它还具有做成小型化陀螺仪的潜力，是新一代运载体惯性导航用超高精度惯性器件的重要发展方向之一。

在SERF原子自旋惯性测量装置中，碱金属电子自旋需要通过自旋交换光抽运技术极化到抽运光方向(即z轴方向，也称为纵向方向)，被极化的碱金属电子自旋再与惰性气体核自旋发生自旋交换碰撞实现核自旋的超极化，垂直于抽运光方向(即x轴方向或y轴方向，也称为横向方向)的检测激光通过旋光效应检测电子自旋的进动即电子自旋纵向极化矢量在x轴方向或y轴方向的投影来实现角速率的测量。在这个过程中，一方面抽运激光打在碱金属气室上的指向会影响原子自旋弛豫，从而影响激光抽运效率；另一方面，抽运激光和检测激光存在非正交时，抽运激光的功率频率波动会直接引起横向极化率波动，耦合到旋光角检测系统中，造成旋光角检测误差，从而影响原子自旋惯性测量系统的精度和稳定性。原子自旋惯性测量装置中抽运激光和检测激光的正交对准可通过两种方法来实现，一是通过机械结构来保证，二是以原子自旋信号为基准进行调节。前者由于碱金属气室的安装通常存在安装误差，且激光通过气室后会发生折射，改变激光指向，因此只能保证未安装气室时抽运激光和检测激光的正交粗对准；后者最初由普林斯顿大学Romalis小组的Kornack博士提出(Kornack T W.A Test of CPT and Lorentz Symmetry Using K-3He Co-magnetometer[D].Department ofAstrophysical Sciences,Princeton:PrincetonUniversity,2005.)，在原子自旋极化稳定和高抽运率的条件下通过开关抽运激光来调节抽运激光和检测激光的正交对准，但并未考虑磁场指向不准引入的对准误差，同时在原子自旋极化状态进行调节时核自旋进动信号会造成较大的干扰。为了克服上述方法的不足，本发明则提出在通过机械结构粗对准的基础之上，通过原子自旋信号实现抽运激光指向与碱金属气室的精对准，再以抽运激光指向为基准，调节磁场方向与抽运激光指向平行，最后通过调节检测激光与磁场方向垂直，进而实现检测激光与抽运激光的精确正交对准，在调节检测激光指向时，通过磁场梯度将核自旋退极化，可避免核自旋进动引入的干扰，因此具有较高的对准精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种以原子自旋检测信号为基准的抽运检测激光正交对准方法，对抽运检测激光进行精确正交对准，有效降低抽运检测激光非正交角误差，抑制抽运指向与气室非对准引起的原子自旋弛豫以及由抽运检测非正交引起的抽运激光横向光频移和横向极化率误差，从而提高原子自旋惯性测量系统的长期稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，包括下列步骤：

(1)通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准。在安装碱金属气室之前，在原子自旋惯性测量装置的磁屏蔽筒支撑结构抽运激光和检测激光的通光孔处分别安装两个光阑，分别调节抽运激光和检测激光的指向，使抽运激光和检测激光透过光阑的光功率最大，实现激光和检测激光指向正交粗对准。

(2)在步骤(1)抽运激光和检测激光指向粗对准的基础上利用原子自旋进动信号对抽运激光指向进行精对准。基本步骤为：安装碱金属气室并在抽运激光经过气室后的出光位置安装一个光电探测器用于探测抽运激光出光功率，启动气室加热，将气室温度加热至正常工作温度，在z轴方向施加一个主磁场，待原子自旋极化稳定后，通过交叉调制方法找到混合原子自旋系综的磁补偿点，使原子自旋惯性测量装置进入正常工作状态，然后在x轴或y轴方向施加一个交流磁场，通过锁相放大器锁定检测激光探测到的旋光角信号幅度，微调抽运激光指向，使锁放锁定的幅度最大，同时保证出光光电探测器探测到的激光功率最大，实现抽运激光与碱金属气室实现精确对准，从而保证抽运激光对原子自旋的高效抽运。

(3)在步骤(2)抽运激光指向精确对准的基础上，以抽运激光指向为基准，调节x轴、y轴和z轴磁场的合磁场方向与抽运激光指向平行。基本步骤为：在x轴或y轴施加一个脉冲磁场以诱导原子自旋进动，通过调节x轴和y轴补偿磁场的大小使得抽运出光探测器探测到的进动信号最小，此时合磁场方向与抽运激光指向平行。

(4)在步骤(3)合磁场方向与抽运激光指向平行的基础上，以合磁场方向(也即抽运激光指向)为基准，调节检测激光指向与合磁场方向垂直。基本步骤为：通过磁场梯度线圈施加磁场梯度使原子自旋退极化，然后通过快速开关抽运激光，微调检测激光的指向，使检测激光探测到的旋光角稳态信号在开关抽运光时的差值为零，从而实现检测激光指向与合磁场方向正交对准，也即实现抽运激光指向和检测激光指向的精确正交对准。

所述光阑的通光孔直径不超过1mm，分别安装在原子自旋惯性测量装置激光进气室方向和出气室方向的磁屏蔽筒支撑结构上，根据两点确定一条直线的原理和机械结构保证抽运激光和检测激光的准直和正交，为原子自旋惯性测量装置抽运激光和检测激光指向的调节提供机械基准。

所述抽运激光的功率设定在原子自旋惯性测量装置的标度因数随抽运激光功率的变化的拐点之前，即在所设定的抽运激光的功率处，测量装置的标度因数随着抽运激光的功率的增大而增大，从而可保证检测激光探测到的旋光角信号强度随抽运光功率单调变化，抽运激光指向与碱金属气室对得越准，旋光角信号强度越强。

所述安装的探测抽运激光出光功率的光电探测器通过机械结构保证与碱金属气室通光孔正对准。

所述抽运激光和检测激光指向的调节通过如图2所示的两个二自由度微调反射镜来实现，两个二自由度微调反射镜可实现激光指向两个维度的精确调节，同时两反射镜采用斜对立的配置方式，以减小光路体积。

所述沿z轴方向施加的磁场大小为核自旋自补偿磁场的3倍以上，以束缚原子自旋沿合磁场方向，同时抑制检测光抽运效应引入的对准误差。

所述施加的脉冲磁场的频率和幅值以诱导出原子自旋进动信号为准。

所述在x轴或y轴施加一个脉冲磁场为交变磁场，交变磁场的频率远离核自旋共振频率，使得核自旋对交变磁场不响应，使测量输出信号仅反映电子自旋对该交变磁场的测量灵敏，避免核自旋进动引入对准误差。

本发明的原理是：在测量装置主结构的抽运检测进光和出光位置分别放置两个光阑，调节抽运检测激光指向使从出光位置的光阑出光功率最大，根据两点确定一条直线的基本原理，此时从机械结构上可保证抽运激光和检测激光指向的粗对准。在安装完碱金属气室，将其加热至正常工作温度，待原子自旋系综极化稳定后，调节抽运激光的指向，当抽运激光正入射碱金属气室时，抽运激光与原子源接触面积最大，同时由抽运激光引起的原子弛豫最小，抽运激光对原子自旋的抽运效率最高，原子自旋系综随高频交流磁场响应幅度最大。由于抽运光的通光孔起到光阑作用，当抽运激光经气室后的功率最大时，说明抽运激光正入射到了原子气室上。在z轴方向施加主磁场后，由于所施加的磁场方向与抽运激光方向可能存在夹角，因此需要通过调节x轴和y轴的补偿磁场使x轴、y轴和z轴所施加磁场的合磁场方向与抽运激光方向平行，以避免磁场对抽运激光和检测激光正交调节产生干扰。在x轴或y轴施加脉冲磁场可诱导原子自旋系综绕合磁场方向进动，原子自旋进动平面与合磁场方向垂直，当合磁场方向与抽运激光方向存在夹角时，原子自旋极化率矢量在抽运激光方向的投影分量会随原子自旋进动而发生周期性变化，即引起原子自旋系综对抽运激光功率吸收的变化，抽运出光功率探测器会探测到明显的周期性进动信号；而当合磁场方向与抽运激光方向平行时，原子自旋进动平面与抽运激光方向垂直，原子自旋极化率矢量在抽运激光方向的投影分量不变，原子自旋进动不会引起原子自旋系综对抽运激光功率吸收的变化，抽运出光功率探测器探测到的进动信号会消失，因此可用作抽运激光与合磁场方向是否平行的监测信号。最后快速开关抽运激光，抽运激光打开后，原子自旋(主要是电子自旋)被迅速极化同时被束缚到合磁场方向，当检测激光方向与抽运激光方向(也即合磁场方向)存在夹角时，检测激光会检测到抽运激光功率变化引起的原子自旋极化率的变化，当检测激光检测到的开关抽运光的极化率变化信号差值过零时，证明检测激光指向与抽运激光指向正交。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明可有效抑制磁场与抽运光不平行引入的抽运检测正交对准误差，可实现抽运激光和检测激光精确正交对准，抑制抽运指向与气室非对准引起的原子自旋弛豫以及由抽运激光和检测非正交引起的抽运激光的横向光频移和横向极化率耦合误差，提高原子自旋惯性测量系统的测量精度和长期稳定性。

附图说明

图1为本发明的原子自旋惯性测量装置抽运激光和检测激光正交对准方法的流程图；

图2为本发明的原子自旋惯性测量装置光路图；

图3为本发明的原子自旋惯性测量装置抽运激光和检测激光正交对准方法实测的原子自旋进动信号；

图4为本发明的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法实测的快速开关抽运光时原子自旋进动信号。

图中：1抽运激光器，2第一扩束透镜，3抽运第一λ/2波片，4抽运第一格兰泰勒棱镜，5抽运液晶相位延迟器，6抽运第二格兰泰勒棱镜，7第二扩束透镜，8抽运第一精调反射镜，9抽运第二精调反射镜，10抽运第二λ/2波片，11抽运功率反馈光电探测器，12抽运偏振分光棱镜，13λ/4波片，14抽运第一光阑，15抽运第二光阑，16抽运出光功率探测器，17坡莫合金磁屏蔽筒，18锰锌铁氧体磁屏蔽筒，19碱金属气室烤箱，20三维磁补偿线圈和磁场梯度线圈及其支撑结构，21检测激光器，22检测第一λ/2波片，23检测第一格兰泰勒棱镜，24检测第一精调反射镜，25检测第二精调反射镜，26检测液晶相位延迟器，27检测第二格兰泰勒棱镜，28检测第二λ/2波片，29检测第三格兰泰勒棱镜，30检测功率反馈光电探测器，31检测第一光阑，32检测第二光阑，33检测第三λ/2波片，34检测偏振分光棱镜和平衡差分光电探测器，35磁屏蔽筒支撑结构，36碱金属气室。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，为本发明的对准方法流程图，整个对准过程分为四步。

第一步：在不安装图2中的碱金属气室烤箱19、三维磁补偿线圈和磁场梯度线圈及其支撑结构20以及碱金属气室36的情况下，利用抽运第一光阑14、抽运第二光阑15和检测第一光阑31、检测第二光阑32通过调节抽运第一精调反射镜8、抽运第二精调反射镜9和检测第一精调反射镜24、检测第二精调反射镜25分别对抽运激光和检测激光指向进行粗对准，调节的准则是抽运检测激光透过光阑的激光功率最大。

第二步：安装图2中的碱金属气室烤箱19、三维磁补偿线圈和磁场梯度线圈及其支撑结构20以及碱金属气室36，将气室加热至正常工作温度，去掉抽运第一光阑14、抽运第二光阑15、检测第一光阑31和检测第二光阑32，待原子自旋系综极化稳定后通过交叉调制方法找到原子自旋系综磁补偿点使测量装置进入正常工作状态，以横向(x轴或y轴方向)高频磁场响应幅值最大为准则，通过抽运第一精调反射镜8和抽运第二精调反射镜9微调抽运光指向，同时保证抽运出光功率最大，从而实现抽运光与原子气室的精确对准。

第三步：通过三维磁补偿线圈在z轴方向施加一个主磁场，在x轴或y轴方向施加脉冲磁场以诱导原子自旋绕磁场方向进动，通过调节x轴和y轴补偿磁场使抽运出光探测器探测到的原子自旋进动信号最小，如图3所示为实测的调节过程中的原子自旋进动信号，(a)为x轴补偿磁场时的原子自旋进动信号，(b)为y轴补偿磁场时的原子自旋进动信号，图中虚线为补偿磁场信号，实线为抽运出光探测器输出信号，当x轴、y轴和z轴三个方向产生的合磁场方向与抽运激光方向存在夹角时，抽运出光探测器会探测到的原子自旋进动信号(即图中实线中的正弦信号)，通过调节x轴和y轴补偿磁场可使该进动信号，从而实现合磁场方向与抽运激光方向对准。此图说明了通过抽运出光探测的原子自旋进动信号进行磁光对准的有效性，该方法具有操作简单的优点。

第四步是通过磁场梯度线圈施加磁场梯度使原子自旋退极化，然后快速开关抽运激光，通过检测第一精调反射镜24和检测第二精调反射镜25微调检测光指向，使旋光角检测系统检测到的开关抽运光时旋光角信号差值为零，如图4所示为实测的开关抽运光旋光角检测信号，图中点画线为抽运出光信号，当抽运出光信号为零时为抽运激光关闭状态，否则为抽运激光打开状态，图中实线为检测激光检测到的旋光角信号，以抽运激光关闭状态下旋光角检测信号为基准，当抽运激光打开时的旋光角信号不等于此基准时，说明合磁场(或抽运激光)与检测激光存在非正交角，通过微调检测激光指向使开关抽运激光时旋光角检测信号的差值为零，从而实现检测光指向与合磁场方向正交，即实现抽运激光和检测激光指向精确正交对准。此图说明了通过开关抽运激光进行抽运激光和检测激光正交对准的有效性，该方法具有操作简单、对准精度高的优点。

图2中，抽运激光器1产生的抽运激光经第一扩束透镜2、抽运第一λ/2波片3、抽运第一格兰泰勒棱镜4、抽运液晶相位延迟器5、和抽运第二格兰泰勒棱镜6、第二扩束透镜7、抽运第一精调反射镜8、抽运第二精调反射镜9、抽运第二λ/2波片10和抽运偏振分光棱镜12后分成两束，一束经λ/4波片13变为圆偏光进入碱金属气室36，用于极化碱金属气室36中的碱金属原子及惰性气体原子，另一束进入抽运功率反馈光电探测器11转换为电信号作为抽运激光功率的反馈信号用于激光功率稳定控制。其中第一扩束透镜2和第二扩束透镜7实现对抽运激光的扩束，抽运第一λ/2波片3用于调节抽运激光的偏振方向与抽运第一格兰泰勒棱镜4的光轴对准，抽运第一格兰泰勒棱镜4、抽运液晶相位延迟器5和抽运第二格兰泰勒棱镜6构成一个可变光衰减器，用于抽运激光功率的稳定控制，抽运第二λ/2波片10用于调节抽运偏振分光棱镜12的分光比，抽运功率反馈光电探测器11用于探测抽运激光功率，λ/4波片13用于将线偏振抽运光变为圆偏振抽运光；

坡莫合金磁屏蔽筒17和锰锌铁氧体磁屏蔽筒18安装在磁屏蔽筒支撑结构35上，锰锌铁氧体磁屏蔽筒18处于最内层，构成复合被动磁补偿系统，用于屏蔽外界磁场，为原子自旋提供低噪声弱磁环境，碱金属气室36安装在碱金属气室烤箱19中，碱金属气室烤箱19安装在三维磁补偿线圈和磁场梯度线圈的支撑结构20上，碱金属气室烤箱19用于将碱金属气室36加热至高温状态；

检测激光器21产生的检测激光经检测第一λ/2波片22、检测第一格兰泰勒棱镜23、检测第一精调反射镜24、检测第二精调反射镜25、检测液晶相位延迟器26、检测第二格兰泰勒棱镜27、检测第二λ/2波片28、检测第三格兰泰勒棱镜29后分成两束，一束激光直接通过碱金属气室36，经检测第三λ/2波片33、检测偏振分光棱镜和平衡差分光电探测器34检测旋角角信号，另一束激光进入检测功率反馈光电探测器30用于激光功率稳定控制。其中检测第一λ/2波片22用于调节检测激光的偏振方向与检测第一格兰泰勒棱镜23的光轴对准，检测第一格兰泰勒棱镜23，检测液晶相位延迟器26和检测第二格兰泰勒棱镜27构成一个可变光衰减器，用于检测激光功率的稳定控制，检测第二λ/2波片28用于改变检测第三格兰泰勒棱镜29的分光比，检测功率反馈光电探测器30用于探测检测激光功率，检测第三λ/2波片33用于改变检测偏振分光棱镜34的分光比，平衡差分光电探测器34用于探测检测偏振分光棱镜34的差分偏振信号。

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。

Claims (7)

1.一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准：在安装碱金属气室之前，在原子自旋惯性测量装置的磁屏蔽筒支撑结构抽运激光和检测激光的通光孔处分别安装两个光阑，分别调节抽运激光和检测激光的指向，使抽运激光和检测激光透过光阑的光功率最大，实现激光和检测激光指向正交粗对准；

（2）在步骤（1）抽运激光和检测激光指向粗对准的基础上利用原子自旋进动信号对抽运激光指向进行精对准，实现步骤为：安装碱金属气室并在抽运激光经过气室后的出光位置安装一个光电探测器用于探测抽运激光出光功率，启动气室加热，将气室温度加热至正常工作温度，在z轴方向施加一个主磁场，待原子自旋极化稳定后，通过交叉调制方法找到混合原子自旋系综的磁补偿点，使原子自旋惯性测量装置进入正常工作状态，然后在x轴或y轴方向施加一个交流磁场，通过锁相放大器锁定检测激光探测到的旋光角信号幅度，微调抽运激光指向，使锁放锁定的幅度最大，同时保证出光光电探测器探测到的激光功率最大，实现抽运激光与碱金属气室实现精确对准，从而保证抽运激光对原子自旋的高效抽运；

（3）在步骤（2）抽运激光指向精确对准的基础上，以抽运激光指向为基准，调节x轴、y轴和z轴磁场的合磁场方向与抽运激光指向平行，基本步骤为：在x轴或y轴施加一个脉冲磁场以诱导原子自旋进动，通过调节x轴和y轴补偿磁场的大小使得抽运出光探测器探测到的进动信号最小，此时合磁场方向与抽运激光指向平行；

（4）在步骤（3）合磁场方向与抽运激光指向平行的基础上，以合磁场方向也即抽运激光指向为基准，调节检测激光指向与合磁场方向垂直，实现步骤为：通过磁场梯度线圈施加磁场梯度使原子自旋退极化，然后通过快速开关抽运激光，微调检测激光的指向，使检测激光探测到的旋光角稳态信号在开关抽运光时的差值为零，从而实现检测激光指向与合磁场方向正交对准，也即实现抽运激光指向和检测激光指向的精确正交对准。

2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（1）中，光阑的通光孔直径不超过1mm，分别安装在原子自旋惯性测量装置激光进气室方向和出气室方向的磁屏蔽筒支撑结构上，根据两点确定一条直线的原理和机械结构保证抽运激光和检测激光的准直和正交，为原子自旋惯性测量装置抽运激光和检测激光指向的调节提供机械基准。

3.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（1）中，抽运激光的功率设定在原子自旋惯性测量装置的标度因数随抽运激光功率的变化的拐点之前，即在所设定的抽运激光的功率处，测量装置的标度因数随着抽运激光的功率的增大而增大，保证检测激光探测到的旋光角信号强度随抽运光功率单调变化，抽运激光指向与碱金属气室对得越准，旋光角信号强度越强。

4.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所安装的探测抽运激光出光功率的光电探测器通过机械结构保证与碱金属气室通光孔正对准。

5.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（2）中，沿z轴方向施加的磁场大小为核自旋自补偿磁场的3倍以上，以束缚原子自旋沿合磁场方向，同时抑制检测光抽运效应引入的对准误差。

6.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所施加的脉冲磁场的频率和幅值以诱导出原子自旋进动信号为准。

7.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在x轴或y轴施加一个脉冲磁场为交变磁场，交变磁场的频率远离核自旋共振频率，使得核自旋对交变磁场不响应，使测量输出信号仅反映电子自旋对该交变磁场的测量灵敏，避免核自旋进动引入对准误差。