CN114061558A - 核磁共振陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核磁共振陀螺仪。泵浦光发射器用于发射泵浦光。声光调制器设置于泵浦光的光路上。原子气室设置于经声光调制器后的泵浦光的光路上。泵浦光沿Z轴方向入射至原子气室。原子气室设置于三维补偿线圈包围形成的空间内。信号发生器分别与声光调制器的控制端和三维补偿线圈连接。信号发生器对三维补偿线圈施加偏置电压，以产生Z轴方向的偏置磁场。信号发生器控制声光调制器对泵浦光进行调制，获得调制泵浦光，声光调制器的调制频率为在Z轴方向的偏置磁场下对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率。调制泵浦光与Z轴方向的偏置磁场，对原子气室的碱金属原子和惰性气体进行极化，并使得碱金属原子产生相干共振。

Description

核磁共振陀螺仪

技术领域

本申请涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种核磁共振陀螺仪。

背景技术

核磁共振陀螺仪通过测量惰性气体核的自旋进动实现转动信息的测量。核磁共振陀螺仪具有高精度、结构简单和易于实现小型化的优势，未来有望成为大规模应用的导航级陀螺仪装置。目前核磁共振陀螺仪的研究主要有两个方面，一方面是从原理上寻找提升其灵敏度和精度的因素和方案。另外一方面是通过实验，考虑装置搭建过程中的力、光、电、磁和热等因素，优化装置中的各项参数，最终在缩小体积的基础上，进一步提升优化装置的灵敏度和零偏不确定度。

传统的核磁共振陀螺仪，通过屏蔽筒补偿剩余磁场之后，采用线圈在泵浦光方向施加偏置磁场和对应碱金属拉莫尔进动频率的调制磁场。传统的核磁共振陀螺仪为了提高信噪比，需要在泵浦光方向施加调制幅度较大的碱金属拉莫尔进动频率的调制磁场。进而，传统的核磁共振陀螺对线圈驱动电源的要求很高，需要很大的功耗，也增加了线圈的设计难度，不利于实现小型化核磁共振陀螺仪。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种核磁共振陀螺仪。

本申请提供一种核磁共振陀螺仪。核磁共振陀螺仪包括泵浦光发射器、声光调制器、原子气室、三维补偿线圈以及信号发生器。所述泵浦光发射器用于发射泵浦光。所述声光调制器设置于所述泵浦光的光路上。所述原子气室设置于经所述声光调制器后的所述泵浦光的光路上。所述泵浦光沿Z轴方向入射至所述原子气室。所述原子气室设置于所述三维补偿线圈包围形成的空间内。所述信号发生器分别与所述声光调制器的控制端和所述三维补偿线圈连接。

其中，所述信号发生器对所述三维补偿线圈施加偏置电压，以产生所述Z轴方向的偏置磁场。所述信号发生器控制所述声光调制器对所述泵浦光进行调制，获得调制泵浦光，所述声光调制器的调制频率为在所述Z轴方向的偏置磁场下对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率。所述调制泵浦光与所述Z轴方向的偏置磁场，对所述原子气室的碱金属原子和惰性气体进行极化，并使得碱金属原子产生相干共振。

上述核磁共振陀螺仪中，本申请所述核磁共振陀螺仪通过所述声光调制器可以施加更高频的光调制，且调制后的波形不会发生畸变，有利于更好的实现碱金属原子的相干共振，有利于提升碱金属原子的极化率。所述核磁共振陀螺仪采用所述声光调制器控制泵浦光的开断，可代替所述泵浦光方向施加的碱金属原子拉莫尔进动频率的调制磁场，实现碱金属气体原子的相干共振。

本申请所述核磁共振陀螺仪通过所述调制泵浦光代替所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)施加的调制磁场，避免了在所述泵浦光方向施加复杂的磁场进行调制。在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)不需要施加调制幅度较大的高频调制磁场，进而可以使得在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)上施加更大的静磁场。所述核磁共振陀螺仪只需要设定对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率的泵浦光即可。从而，在较大的静磁场条件下，所述核磁共振陀螺仪提高了惰性气体的拉莫尔进动频率，使得惰性气体的拉莫尔进动频率可以更加远离低频区域。由于在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)不需要施加调制幅度较大的高频调制磁场，所述核磁共振陀螺仪不需要考虑用于驱动所述三维补偿线圈的电流源驱动能力不足的问题，且不需要考虑所述三维补偿线圈不同频率感抗不同而导致的Z轴方向磁场频率扫描过程中调制幅度变化的问题。所述核磁共振陀螺仪通过所述声光调制器更容易实现较高频率光的调制，不需要大功率电源驱动产生高频磁场，且降低了所述三维补偿线圈的设计难度。

因此，所述核磁共振陀螺仪更有利于提升信号的信噪比，且降低了核磁共振信号的检测难度，提升了陀螺仪的零偏不确定度。所述核磁共振陀螺仪通过测量惰性气体的核磁共振信号，提取引入惯性转动后的惰性气体的进动频率，进而实现泵浦光轴转动信号的检测。

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为一实施例中提供的核磁共振陀螺仪的整体结构示意图。

图2为一实施例中提供的饱和吸收装置的整体结构示意图。

附图标记说明：

核磁共振陀螺仪100、泵浦光发射器110、饱和吸收装置120、第一功率衰减器131、第一控制器132、第一光电探测器133、第一光纤耦合器141、第一透镜142、声光调制器150、第一扩束器161、第一线偏振片162、四分之一波片163、原子气室30、反射镜310、三维补偿线圈320、磁屏蔽桶330、信号发生器70、检测光发射器210、波长计锁定装置220、第二功率衰减器231、第二控制器232、第二光电探测器233、包括第二光纤耦合器241、第二透镜242、第二扩束器251、第二线偏振片252、第一偏振分光棱镜40、平衡探测器50、锁相放大器60、第一半波片121、第二偏振分光棱镜122、第二半波片123、第三偏振分光棱镜124、波长锁定原子气室125、全反射镜1290、第一介质反射镜126、第三半波片127、第二介质反射镜128、波长锁定光电探测器129。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

请参见图1，本申请提供一种核磁共振陀螺仪100。所述核磁共振陀螺仪100包括泵浦光发射器110、声光调制器150、原子气室30、三维补偿线圈320以及信号发生器70。所述泵浦光发射器110用于发射泵浦光。所述声光调制器150设置于所述泵浦光的光路上。所述原子气室30设置于经所述声光调制器150后的所述泵浦光的光路上。所述泵浦光沿Z轴方向入射至所述原子气室30。所述原子气室30设置于所述三维补偿线圈320包围形成的空间内。所述信号发生器70分别与所述声光调制器150的控制端和所述三维补偿线圈320连接。

其中，所述信号发生器70对所述三维补偿线圈320施加偏置电压，以产生所述Z轴方向的偏置磁场。所述信号发生器70控制所述声光调制器150对所述泵浦光进行调制，获得调制泵浦光。所述声光调制器150的调制频率为在Z轴方向的偏置磁场下对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率。所述调制泵浦光与所述Z轴方向的偏置磁场，对所述原子气室30的碱金属原子和惰性气体进行极化，并使得碱金属原子产生相干共振。

所述泵浦光发射器110可以采用795nm激光器作为泵浦光。所述泵浦方向可以为Z轴方向。所述原子气室30中可采用Rb、¹²⁹Xe和¹³¹Xe或者Rb、¹²⁹Xe和³He作为原子系综。所述信号发生器70对所述三维补偿线圈320施加补偿电压，以产生所述X轴方向、所述Y轴方向以及所述Z轴方向的B_x0、B_y0和B_z0的补偿磁场，用以将所述原子气室30内部的三个轴的剩磁补偿至1nT以下。所述三维补偿线圈320与所述磁屏蔽桶330补偿和抵消外部剩余磁场。

所述信号发生器70对所述三维补偿线圈320施加偏置电压，以产生所述Z轴方向的偏置磁场(也可以称为静磁场)。在一个实施例中，在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)施加10000nT的静磁场。

所述声光调制器150通过所述信号发生器70实现控制，用以产生偏置磁场10000nT下Rb原子的拉莫尔进动频率的调制光，也就是调制泵浦光。进而，所述调制泵浦光入射至所述原子气室30中，实现碱金属气室的极化和相干进动。通过所述声光调制器150进行调制，调制频率为Z轴方向施加静磁场对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率。在一个实施例中，对于Rb原子，静磁场10000nT对应的拉莫尔进动频率为70kHz。所述调制频率为70kHz。通过所述声光调制器150调制后的调制泵浦光的光功率大约可以在6mW以上，可以保证很高的极化率。

本申请所述核磁共振陀螺仪100通过所述声光调制器150可以施加更高频的光调制，且调制后的波形不会发生畸变，有利于更好的实现碱金属原子的相干共振，有利于提升碱金属原子的极化率。所述核磁共振陀螺仪100采用所述声光调制器150控制泵浦光的开断，可代替所述泵浦光方向施加的碱金属原子拉莫尔进动频率的调制磁场，实现碱金属气体原子的相干共振。

本申请所述核磁共振陀螺仪100通过所述调制泵浦光代替所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)施加的调制磁场，避免了在所述泵浦光方向施加复杂的磁场进行调制。在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)不需要施加调制幅度较大的高频调制磁场，进而可以使得在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)上施加更大的静磁场。所述核磁共振陀螺仪100只需要设定对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率的泵浦光即可。从而，在较大的静磁场条件下，所述核磁共振陀螺仪100提高了惰性气体的拉莫尔进动频率，使得惰性气体的拉莫尔进动频率可以更加远离低频区域。由于在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)不需要施加调制幅度较大的高频调制磁场，所述核磁共振陀螺仪100不需要考虑用于驱动所述三维补偿线圈320的电流源驱动能力不足的问题，且不需要考虑所述三维补偿线圈320不同频率感抗不同而导致的Z轴方向磁场频率扫描过程中调制幅度变化的问题。所述核磁共振陀螺仪100通过所述声光调制器150更容易实现较高频率光的调制，不需要大功率电源驱动产生高频磁场，且降低了所述三维补偿线圈320的设计难度。

因此，所述核磁共振陀螺仪100更有利于提升信号的信噪比，且降低了核磁共振信号的检测难度，提升了陀螺仪的零偏不确定度。所述核磁共振陀螺仪100通过测量惰性气体的核磁共振信号，提取引入惯性转动后的惰性气体的进动频率，进而实现泵浦光轴转动信号的检测。其中，引入惯性转动后的惰性气体的进动频率可以理解为含有转动信息的频率。

在一个实施例中，在所述Z轴方向(也就是所述泵浦光方向)施加的偏置磁场(也可以称为静磁场)的数值并不限于10000nT，可以为其他数值。不同的静磁场数值对应不同的所述声光调制器150的调制频率，本申请不做具体限定，可根据实际情况进行调节。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括检测光发射器210、第一偏振分光棱镜40、平衡探测器50、锁相放大器60、信号发生器70。所述检测光发射器210用于发射检测光。所述原子气室30设置于所述检测光的光路上。且所述检测光沿X轴方向进入所述原子气室30。所述第一偏振分光棱镜40设置于经所述原子气室30后的所述检测光的光路上。所述平衡探测器50设置于经所述第一偏振分光棱镜40后的所述检测光的光路上。所述锁相放大器60的输入端与所述平衡探测器50的输出端连接。所述信号发生器70与所述锁相放大器60的输入端连接。

其中，当所述Z轴方向存在惯性转动时，所述信号发生器70对所述三维补偿线圈320在所述X轴方向施加第一调制电压信号与第二调制电压信号，以产生第一扫描调制磁场和第二扫描调制磁场。所述第一扫描调制磁场可以为覆盖引入惯性转动后的第一惰性气体对应的进动频率的调制磁场，在所述X轴方向进行扫描。所述第二扫描调制磁场可以为覆盖引入惯性转动后的第二惰性气体对应的进动频率的调制磁场，在所述X轴方向进行扫描。

在所述X轴方向产生可扫描频率的所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场中，所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场的幅值大概几十nT。频率通过所述信号发生器70进行扫描。所述第一惰性气体和所述第二惰性气体可以分别为¹²⁹Xe和¹³¹Xe或者¹²⁹Xe和³He。

所述第一偏振分光棱镜40将经所述原子气室30后的所述检测光分解成水平检测偏振光和竖直检测偏振光。所述平衡探测器50根据所述水平检测偏振光和所述竖直检测偏振光进行差分输出检测电信号，并获得光旋角。其中，当所述第一扫描调制磁场的调制频率和所述第二扫描调制磁场的调制频率分别为引入惯性转动后的第一惰性气体的进动频率ω₁和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率ω₂时，所述光旋角最大。所述检测电信号的输出幅值最大。此时相应地，所述第一扫描调制磁场变为B₁cos(ω₁t)，所述第二扫描调制磁场变为B₂cos(ω₂t)。其中ω₁和ω₂分别为引入惯性转动后的第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的第二惰性气体的进动频率。

当所述第一扫描调制磁场的调制频率和所述第二扫描调制磁场的调制频率分别为引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和所述第二惰性气体的进动频率时，所述平衡探测器50输出的所述检测电信号的输出幅值最大。也可以理解为，当ω₁和ω₂为引入惯性转动后的¹²⁹Xe和¹³¹Xe，或者引入惯性转动后的¹²⁹Xe和³He的进动频率时，所述平衡探测器50的输出幅值最大。

所述信号发生器70输出所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号、所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号至所述锁相放大器60的输入端。

所述锁相放大器60接收所述检测电信号，并根据所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号，对所述检测电信号进行第一次解调，获得第一次解调电信号。

所述锁相放大器60根据所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号对所述第一次解调电信号进行第二次解调，获得引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率。根据引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率，计算获得惯性转动信息。

所述信号发生器70给所述锁相放大器60提供参考信号，包括三个参考信号，分别为所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号、所述第一调制电压信号以及所述第二调制电压信号。一个参考信号为所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号，具体地可以为10000nT下Rb的拉莫尔进动频率信号，频率为70kHz，用于第一次解调所述平衡探测器50的输出信号。另外两个参考信号分别为所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号，分别对应B₁cos(ω₁t)与B₂cos(ω₂t)，分别对应引入惯性转动后的第一惰性气体的进动频率和第二惰性气体的进动频率。也可以理解为引入惯性转动后的¹²⁹Xe和¹³¹Xe，或者¹²⁹Xe和³He的进动频率，用于对70kHz解调后的第一次解调电信号进行第二次解调，得到核磁共振信号。

所述检测光发射器210可以为780nm激光器，施加方向为X轴方向。所述第一偏振分光棱镜40出射的两束光接入到所述平衡探测器50中进行差分。通过所述信号发生器70对所述三维补偿线圈320在所述X轴方向施加所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号，以产生所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场。所述第一扫描调制磁场为覆盖有B₁cos(ω₁t)的调制磁场。所述第二扫描调制磁场为覆盖有B₂cos(ω₂t)的调制磁场。所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场用以检测惰性气体核自旋信号。

经所述原子气室30后的所述检测光为线偏振光。所述线偏振光通过所述第一偏振分光棱镜40后会被分解成水平检测偏振光和竖直检测偏振光。通过所述平衡探测器50可以探测所述水平检测偏振光和所述竖直检测偏振光的差值。差值的变化反映了光旋角的变化。

当所述Z轴方向存在惯性转动时，会使得惰性气体核自旋的进动频率发生改变。在所述X轴方向施加¹²⁹Xe和¹³¹Xe或¹²⁹Xe和³He对应的进动频率的调制磁场时，所述平衡探测器50检测到的差值最大，也就是光旋角最大。光旋角最大，说明了惰性气体发生了相干进动。因此，所述核磁共振陀螺仪100采用覆盖引入惯性转动后的¹²⁹Xe和¹³¹Xe或¹²⁹Xe和³He对应的进动频率的调制磁场，在所述X轴方向进行扫描。当所述X轴方向的所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场的频率处于引入惯性转动后的¹²⁹Xe和¹³¹Xe或¹²⁹Xe和³He对应的进动频率ω₁和ω₂时，所述平衡探测器50检测到的信号最大。所述平衡探测器50对所述水平检测偏振光和所述竖直检测偏振光进行差分，获得所述检测电信号。所述检测电信号携带有所述Z轴方向的惯性转动信息。通过对所述检测电信号进行解调，可以获得对应的惯性转动信息。

通过扫描所述X轴方向的所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场，可以检测引入转动信息后的惰性气体的进动频率。通过所述锁相放大器60的第一次解调和第二次解调，可以获得引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率ω₁和所述第二惰性气体的进动频率ω₂。根据引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率ω₁和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率ω₂，可以计算获得惯性转动信息。

具体地，所述锁相放大器60通过所述碱金属原子的拉莫尔进动频率70kHz对应的电压参考信号进行第一次解调。在所述X轴方向施加¹²⁹Xe和¹³¹Xe或¹²⁹Xe和³He的进动频率附近的扫描磁场(也就是所述第一扫描调制磁场和所述第二扫描调制磁场)，并通过所述锁相放大器60进行第二次解调，获得引入转动信息后的核共振频率ω₁和ω₂。此时，ω₁和ω₂分别为引入惯性转动后的第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的第二惰性气体的进动频率。

其中，ω₁＝ω_Xe129-Ω和ω₂＝ω_Xe131-Ω或者ω₁＝ω_Xe129-Ω和ω₂＝ω_He3-Ω，Ω为转动信息。引入惯性转动前的所述惰性气体的拉莫尔进动频率包括ω_Xe129和ω_Xe131。ω_Xe129＝γ_Xe129B₀，ω_Xe131＝γ_Xe131B₀，γ_Xe129为¹²⁹Xe对应的旋磁比，B₀为10000nT磁场(也就是偏置磁场或者静磁场)，γ_Xe131为¹³¹Xe对应的旋磁比。引入惯性转动后的所述惰性气体的进动频率分别为ω₁和ω₂。

根据引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率ω₁和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率ω₂，能够计算获得惯性转动信息。

惯性转动信息为

本申请所述核磁共振陀螺仪100不同于Bell-Bloom的磁强计和磁梯度计。磁强计和磁梯度计不会施加调制磁场，且不会施加针对惰性气体的调制磁场。所述核磁共振陀螺仪100并未检测磁场信号和磁梯度计信号，也并未检测碱金属原子的磁共振信号。所述核磁共振陀螺仪100采用极化检测方式，并未采用光强检测。所述核磁共振陀螺仪100通过探测惰性气体的核磁共振信号，实现对泵浦光轴的转动信息的检测。

在一个实施例中，所述锁相放大器60的输出端，将引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率，传输至计算模块。所述计算模块根据引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率，计算获得惯性转动信息。所述计算模块可以为电脑等具有计算功能的器件。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括反射镜310。所述反射镜310设置于所述原子气室30远离所述声光调制器150的一侧。且所述反射镜310设置于所述调制泵浦光的光路上。所述反射镜310设置在所述原子气室30的一侧，且设置在所述调制泵浦光的光路上，可以将所述调制泵浦光二次反射入所述原子气室30中，减小泵浦产生的梯度，进而提高了气室内极化率的均匀性。

在一个实施例中，所述反射镜310设置于所述磁屏蔽桶330的表面，且与所述原子气室30相对设置。所述磁屏蔽桶330将所述原子气室30与所述三维补偿线圈320包围设置。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括饱和吸收装置120。所述饱和吸收装置120的输入端与所述泵浦光发射器110的输出端连接。所述饱和吸收装置120的输出端与所述泵浦光发射器110的控制端连接，用于对所述泵浦光的波长进行锁定。

所述泵浦光发射器110输出的所述泵浦光的5％的光通过所述饱和吸收装置120将所述泵浦光的激光波长锁定在Rb的D1线。

请参见图2，在一个实施例中，所述饱和吸收装置120包括第一半波片121、第二偏振分光棱镜122、第二半波片123、第三偏振分光棱镜124、波长锁定原子气室125、全反射镜1290、第一介质反射镜126、第三半波片127、第二介质反射镜128、以及波长锁定光电探测器129。所述第一介质反射镜126与所述第二介质反射镜128为45°介质反射镜。所述泵浦光的5％的光入射至所述第一半波片121。所述第一半波片121与所述第二偏振分光棱镜122组成了光强配比器。

所述第二半波片123用于调节经所述第二偏振分光棱镜122后的5％泵浦光的线偏振态。经所述第二半波片123后的5％泵浦光入射至所述第三偏振分光棱镜124。经所述第三偏振分光棱镜124，将5％泵浦光分成两束。一束依次经过所述第一介质反射镜126、所述第三半波片127、所述第二介质反射镜128和所述全反射镜1290反向后进入到所述波长锁定原子气室125。所述第一介质反射镜126、所述第二介质反射镜128和所述全反射镜1290的作用是为了改变光的方向。所述第三半波片127用于调节光束的线偏振态。另一束依次经过所述波长锁定原子气室125作为检测光进入所述波长锁定光电探测器129。经过所述波长锁定光电探测器129进行光电转换，将电信号反馈给激光器，用于锁定激光器的波长。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第一功率衰减器131、第一控制器132、第一光电探测器133。所述第一功率衰减器131的输入端与所述泵浦光发射器110的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出光功率稳定的泵浦光。所述第一光电探测器133的输入端与所述第一功率衰减器131的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第一探测信号。所述第一控制器132的输入端与所述第一光电探测器133的输出端连接。所述第一控制器132的输出端与所述第一功率衰减器131的控制端连接，用于根据所述第一探测信号控制所述第一功率衰减器131输出所述光功率稳定的泵浦光。

95％的泵浦光通过光纤进入到所述第一功率衰减器131和所述第一控制器132，用于稳定泵浦光的光功率，减小光功率的抖动。所述第一控制器132可以为PID控制模块。

所述第一功率衰减器131输出的光功率稳定的泵浦光，分为两路。5％的所述光功率稳定的泵浦光连接所述第一光电探测器133。所述第一光电探测器133的输出端接入所述第一控制器132的输入端。根据所述第一探测信号，设置PID控制电路的参数，控制光功率值，进而确保泵浦光的波长固定，光强保持稳定。

所述第一功率衰减器131、所述第一控制器132、所述第一光电探测器133形成闭环回路。其余95％的所述光功率稳定的泵浦光入射至第一光纤耦合器141。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第一光纤耦合器141与第一透镜142。所述第一光纤耦合器141的输入端与所述第一功率衰减器131的输出端连接。所述第一透镜142设置于经所述第一光纤耦合器141后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上。所述光功率稳定的泵浦光经所述第一透镜142后，入射至所述声光调制器150的输入端。

稳定后的泵浦光通过所述第一光纤耦合器141转变成空间光。经过所述第一透镜142准直，准直后的光通过所述声光调制器150进行调制。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第一扩束器161、第一线偏振片162以及四分之一波片163。所述第一扩束器161设置于所述调制泵浦光的光路上。所述第一线偏振片162设置于经所述第一扩束器161后的所述调制泵浦光的光路上。所述四分之一波片163设置于经所述第一线偏振片162后的所述调制泵浦光的光路上。经所述四分之一波片163后的所述调制泵浦光，入射至所述原子气室30。

通过所述声光调制器150调制后的所述调制泵浦光，通过所述第一扩束器161、所述第一线偏振片162和所述四分之一波片163后，转变成圆偏振光进入所述原子气室30，用于极化碱金属原子和超极化惰性气体，使碱金属原子产生相干共振。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括波长计锁定装置220。所述波长计锁定装置220的输入端与所述检测光发射器210的输出端连接。所述波长计锁定装置220的输出端与所述检测光发射器210的控制端连接，用于对所述检测光的波长进行远失谐锁定。

所述检测光发射器210可以为激光器。所述检测光发射器210的输出的5％检测光通过所述波长计锁定装置220实现激光波长的远失谐锁定，失谐频率大约在10GHz以上。通过所述波长计锁定装置220，可以减小检测光对所述原子气室30的影响，将780nm激光器进行远失谐波长锁定。

所述波长计锁定装置220包括波长计和PID控制模块。所述检测光发射器210输出的光一部分通过波长计实现激光波长的测量。波长计测量值输入到PID控制模块。根据锁定的波长点输出至PID控制模块，PID控制模块的输出连接所述检测光发射器210的控制端，控制所述检测光发射器210的电流实现波长的改变。波长计、PID控制模块、所述检测光发射器210形成闭环，可以实现激光器波长的控制和锁定。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第二功率衰减器231、第二控制器232以及第二光电探测器233。所述第二功率衰减器231的输入端与所述检测光发射器210的输出端连接，用于接收所述检测光，并对所述检测光的光功率进行调节，输出光功率稳定的检测光。所述第二光电探测器233的输入端与所述第二功率衰减器231的输出端连接，用于将所述光功率稳定的检测光转换成第二探测信号。所述第二控制器232的输入端与所述第二光电探测器233的输出端连接。所述第二控制器232的输出端与所述第二功率衰减器231的控制端连接，用于根据所述第二探测信号控制所述第二功率衰减器231输出所述光功率稳定的检测光。

所述第二功率衰减器231、所述第二控制器232以及所述第二光电探测器233的工作原理与所述第一功率衰减器131、所述第一控制器132以及所述第一光电探测器133的工作原理相同。所述第二功率衰减器231、所述第二控制器232以及所述第二光电探测器233形成闭环回路。

所述第二控制器232可以为PID控制模块。所述第二功率衰减器231输出的光功率稳定的检测光，分为两路。5％的所述光功率稳定的检测光连接所述第二光电探测器233。所述第二光电探测器233的输出端接入所述所述第二控制器232的输入端。根据所述第二探测信号设置PID控制电路的参数，控制光功率值，进而确保检测光的波长远失谐，光强保持稳定。其余95％的所述光功率稳定的检测光入射至第二光纤耦合器241。

95％的检测光通过光纤进入到所述第二功率衰减器231和所述第二控制器232，用于稳定检测光的光功率，减小光功率的抖动。

在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第二光纤耦合器241、第二透镜242、第二扩束器251以及第二线偏振片252。所述第二光纤耦合器241的输入端与所述第二功率衰减器231的输出端连接。所述第二透镜242设置于经所述第二光纤耦合器241后的所述光功率稳定的检测光的光路上。所述第二扩束器251设置于经所述第二透镜242后的所述光功率稳定的检测光的光路上。所述第二线偏振片252设置于经所述第二扩束器251后的所述光功率稳定的检测光的光路上。经所述第二线偏振片252后的所述光功率稳定的检测光，入射至所述原子气室30。

稳定后的检测光通过所述第二光纤耦合器241转变为空间光。通过所述第二透镜242进行准直。通过所述第二扩束器251和所述第二线偏振片252实现线偏振光，沿X轴方向进入所述原子气室30。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

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对申请专利范围的限制。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)

1.一种核磁共振陀螺仪，其特征在于，包括：

泵浦光发射器(110)，用于发射泵浦光；

声光调制器(150)，设置于所述泵浦光的光路上；

原子气室(30)，设置于经所述声光调制器(150)后的所述泵浦光的光路上，所述泵浦光沿Z轴方向入射至所述原子气室(30)；

三维补偿线圈(320)，所述原子气室(30)设置于所述三维补偿线圈(320)包围形成的空间内；

信号发生器(70)，分别与所述声光调制器(150)的控制端和所述三维补偿线圈(320)连接；

其中，所述信号发生器(70)对所述三维补偿线圈(320)施加偏置电压，以产生所述Z轴方向的偏置磁场；

所述信号发生器(70)控制所述声光调制器(150)对所述泵浦光进行调制，获得调制泵浦光，所述声光调制器(150)的调制频率为在所述Z轴方向的偏置磁场下对应的碱金属原子的拉莫尔进动频率；

所述调制泵浦光与所述Z轴方向的偏置磁场，对所述原子气室(30)的碱金属原子和惰性气体进行极化，并使得碱金属原子产生相干共振。

2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

检测光发射器(210)，用于发射检测光，所述原子气室(30)设置于所述检测光的光路上，且所述检测光沿X轴方向进入所述原子气室(30)；

第一偏振分光棱镜(40)，设置于经所述原子气室(30)后的所述检测光的光路上；

平衡探测器(50)，设置于经所述第一偏振分光棱镜(40)后的所述检测光的光路上；

锁相放大器(60)，所述锁相放大器(60)的输入端与所述平衡探测器(50)的输出端连接；

信号发生器(70)，与所述锁相放大器(60)的输入端连接；

其中，当所述Z轴方向存在惯性转动时，所述信号发生器(70)对所述三维补偿线圈(320)在所述X轴方向施加第一调制电压信号与第二调制电压信号，以产生第一扫描调制磁场和第二扫描调制磁场；

所述第一偏振分光棱镜(40)将经所述原子气室(30)后的所述检测光分解成水平检测偏振光和竖直检测偏振光；

所述平衡探测器(50)根据所述水平检测偏振光和所述竖直检测偏振光进行差分输出检测电信号，并获得光旋角；其中，当所述第一扫描调制磁场的调制频率和所述第二扫描调制磁场的调制频率分别为引入惯性转动后的第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率时，所述光旋角最大；

所述信号发生器(70)输出所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号、所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号至所述锁相放大器(60)的输入端；

所述锁相放大器(60)接收所述检测电信号，并根据所述碱金属原子的拉莫尔进动频率对应的电压信号，对所述检测电信号进行第一次解调，获得第一次解调电信号；

所述锁相放大器(60)根据所述第一调制电压信号与所述第二调制电压信号对所述第一次解调电信号进行第二次解调，获得引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率；

根据引入惯性转动后的所述第一惰性气体的进动频率和引入惯性转动后的所述第二惰性气体的进动频率，计算获得惯性转动信息。

3.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

反射镜(310)，设置于所述原子气室(30)远离所述声光调制器(150)的一侧，且设置于所述调制泵浦光的光路上。

4.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

饱和吸收装置(120)，所述饱和吸收装置(120)的输入端与所述泵浦光发射器(110)的输出端连接，所述饱和吸收装置(120)的输出端与所述泵浦光发射器(110)的控制端连接，用于对所述泵浦光的波长进行锁定。

5.根据权利要求4所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一功率衰减器(131)，所述第一功率衰减器(131)的输入端与所述泵浦光发射器(110)的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出光功率稳定的泵浦光；

第一光电探测器(133)，所述第一光电探测器(133)的输入端与所述第一功率衰减器(131)的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第一探测信号；

第一控制器(132)，所述第一控制器(132)的输入端与所述第一光电探测器(133)的输出端连接，所述第一控制器(132)的输出端与所述第一功率衰减器(131)的控制端连接，用于根据所述第一探测信号控制所述第一功率衰减器(131)输出所述光功率稳定的泵浦光。

6.根据权利要求5所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一光纤耦合器(141)，所述第一光纤耦合器(141)的输入端与所述第一功率衰减器(131)的输出端连接；

第一透镜(142)，设置于经所述第一光纤耦合器(141)后的所述光功率稳定的泵浦光的光路上；

所述光功率稳定的泵浦光经所述第一透镜(142)后，入射至所述声光调制器(150)的输入端。

7.根据权利要求6所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一扩束器(161)，设置于所述调制泵浦光的光路上；

第一线偏振片(162)，设置于经所述第一扩束器(161)后的所述调制泵浦光的光路上；

四分之一波片(163)，设置于经所述第一线偏振片(162)后的所述调制泵浦光的光路上；

经所述四分之一波片(163)后的所述调制泵浦光，入射至所述原子气室(30)。

8.根据权利要求2所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

波长计锁定装置(220)，所述波长计锁定装置(220)的输入端与所述检测光发射器(210)的输出端连接，所述波长计锁定装置(220)的输出端与所述检测光发射器(210)的控制端连接，用于对所述检测光的波长进行远失谐锁定。

9.根据权利要求8所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

第二功率衰减器(231)，所述第二功率衰减器(231)的输入端与所述检测光发射器(210)的输出端连接，用于接收所述检测光，并对所述检测光的光功率进行调节，输出光功率稳定的检测光；

第二光电探测器(233)，所述第二光电探测器(233)的输入端与所述第二功率衰减器(231)的输出端连接，用于将所述光功率稳定的检测光转换成第二探测信号；

第二控制器(232)，所述第二控制器(232)的输入端与所述第二光电探测器(233)的输出端连接，所述第二控制器(232)的输出端与所述第二功率衰减器(231)的控制端连接，用于根据所述第二探测信号控制所述第二功率衰减器(231)输出所述光功率稳定的检测光。

10.根据权利要求9所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：

第二光纤耦合器(241)，所述第二光纤耦合器(241)的输入端与所述第二功率衰减器(231)的输出端连接；

第二透镜(242)，设置于经所述第二光纤耦合器(241)后的所述光功率稳定的检测光的光路上；

第二扩束器(251)，设置于经所述第二透镜(242)后的所述光功率稳定的检测光的光路上；

第二线偏振片(252)，设置于经所述第二扩束器(251)后的所述光功率稳定的检测光的光路上；

经所述第二线偏振片(252)后的所述光功率稳定的检测光，入射至所述原子气室(30)。

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