CN114199277B - 原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统 - Google Patents

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CN114199277B CN202111329722.8A CN202111329722A CN114199277B CN 114199277 B CN114199277 B CN 114199277B CN 202111329722 A CN202111329722 A CN 202111329722A CN 114199277 B CN114199277 B CN 114199277B
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Abstract

本发明提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统，该方法包括：设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器、1/4波片和光路开关进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运；打开光路开关，通过三维磁线圈将环境剩磁补偿到零；关闭光路开关，沿第三方向施加设定磁场，沿第一方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描；在第一扫描周期内，打开光路开关并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，检测激光的第一检测激光光强；根据第一检测激光光强计算获取电子极化率。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量结构复杂、测量步骤繁琐的技术问题。

Description

原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统
技术领域
本发明涉及原子传感器技术领域，尤其涉及一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统。
背景技术
在原子自旋陀螺仪中，采用的是原子作为转子，利用激光将原子进行抽运，当抽运激光赋予原子动量矩的取向后，去掉抽运激光，当固定原子陀螺仪的载体相对于惯性空间转动时，原子动量矩在惯性空间保持给定方向，即保持自旋定轴，原子自旋定轴与检测激光之间就会出现偏差角，此偏差角就是载体转动的角度。原子自旋陀螺仪的必要工作条件就是陀螺仪的工作物质具有一定取向的动量矩和磁矩，由原子自旋陀螺仪Bloch方程可知，电子的极化率影响着原子自旋陀螺的反应灵敏性，电子极化率越高，核磁共振陀螺标度因数越稳定，陀螺性能指标越好。目前，现有技术中在测量电子极化率时，通常需要外搭环境测试，此种方式由于结构复杂，测量比较繁琐，导致原子自旋陀螺仪电子极化率测量比较困难。
发明内容
本发明提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统，能够解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量困难的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法包括：调整原子自旋陀螺仪原子气室温度至工作温度；在原子气室外部设置磁屏蔽桶以屏蔽外界磁干扰，在原子气室外部设置三维磁线圈以补偿磁屏蔽桶的剩余磁场以及施加设定恒定磁场；设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器、1/4波片和光路开关进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运，设置波长计检测驱动激光波长以及驱动激光输出频率；设置检测激光沿第二方向通过第二起偏器和法拉第调制器进入原子气室，设置光电探测器接收检测激光光强；打开光路开关，通过三维磁线圈将原子气室内的环境剩磁补偿到零；关闭光路开关，三维磁线圈沿第三方向施加设定磁场，沿第一方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描，检测驱动激光波长并使驱动激光波长为碱金属原子D1线频率，第一方向、第二方向以及第三方向两两相垂直；在第一扫描周期内，打开光路开关并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器接收检测激光的第一检测激光光强；根据第一检测激光光强计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率。
进一步地，根据第一检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率具体包括：根据第一检测激光光强计算获取驱动激光频率下的光位移；根据驱动激光频率下的光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；根据电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；根据原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
进一步地，在光电探测器接收到第一检测激光光强之后，电子极化率测量的测试方法还包括：旋转1/4波片180°，沿第一方向施加第二扫描周期的锯齿波磁场扫描，在第二扫描周期内，打开光路开关并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器接收检测激光的第二检测激光光强；根据第一检测激光光强和第二检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
进一步地，根据第一检测激光光强和第二检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率具体包括：根据第一检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第一光位移；根据第二检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第二光位移；根据第一光位移和第二光位移计算获取驱动激光频率下的综合光位移；根据驱动激光频率下的综合光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；根据电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；根据原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
进一步地，驱动激光频率下的第一光位移和第二光位移均可通过计算获取，其中，b包括驱动激光频率下的光位移Lz和剩余磁场Bz0，a,k,e为位置参数，d为补偿参数，y为光电探测器检测到光强，x为z方向磁场，By为y方向磁场。
进一步地，综合光位移Lz综可根据计算获取，其中，b-为驱动激光频率下的第一光位移Lz1和第一剩余磁场Bz01，b+为驱动激光频率下的第二光位移Lz2和第二剩余磁场Bz02。
进一步地，SERF原子自旋陀螺仪电子极化率可根据/>计算获取，其中，Rtot为碱金属电子自旋总的弛豫率，Rp为原子光抽运率。
进一步地，光位移能量差可根据量子力学能量差公式推导得到的公式来获取，所述原子光抽运率可根据Rp＝πrecfΦ来获取，其中ΔELS为光位移能量差，Rp为光抽运率，/>h为普朗克常量，re为光子半径，c为光速，f为常数1/3，Φ为单位时间内通过的光子数，/>为光子角动量的传递方位，/>为自旋角动量。
根据本发明的又一方面，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统，原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统使用如上所述的测试方法进行电子极化率测量。
进一步地，原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统包括：驱动激光单元、分光镜、波长计、第一起偏器、1/4波片、光路开关、三维磁线圈、磁屏蔽桶、检测激光单元、第二起偏器、法拉第调制器和光电探测器，驱动激光单元用于输出驱动激光，分光镜用于将驱动激光分光后分别进入第一起偏器和波长计，波长计用于检测驱动激光的波长和频率，第一起偏器用于对驱动激光进行起偏，1/4波片用于将起偏后的驱动激光转换为圆偏振光，光路开关设置在1/4波片和原子气室之间，三维磁线圈和磁屏蔽桶均设置在原子气室外部，磁屏蔽桶用于屏蔽外部磁干扰，三维磁线圈用于补偿磁屏蔽桶的剩余磁场以及施加设定恒定磁场，检测激光单元用于输出检测激光，检测激光通过第二起偏器和法拉第调制器进入原子气室，第二起偏器用于对检测激光进行起偏，法拉第调制器用于对起偏后的检测激光进行调制，光电探测器用于接收透过原子气室的检测激光的光强。
应用本发明的技术方案，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，该方法通过设置检测激光通过法拉第调制器沿第二方向透过原子气室，经光电探测器接收透过原子气室的激光，同步采集驱动激光波长和光电探测器检测到的光强，光电探测器检测到的光强中包含着光位移信息；对第一方向进行磁场扫描，光电检测器检测到光强随第一方向磁场变化的曲线为洛伦兹曲线，当第一方向磁场与抽运激光频率下的光位移数值相等时，信号最强，此时通过对信号相应进行函数曲线拟合以获取相应驱动激光频率下的第一方向的光位移和碱金属电子自旋的总弛豫率，进而实现原子自旋陀螺仪电子极化率测量，此种方式能够实现原子自旋陀螺仪电子极化率的精准测量，解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量结构复杂，测量方法困难的技术问题。此外，通过控制驱动激光抽运时间短于原子气室内部碱金属电子与惰性气体原子核碰撞的时间，能够减小惰性气体原子核的极化率，忽略惰性气体原子核的极化对电子造成的影响。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明的具体实施例提供的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、驱动激光单元；20、分光镜；30、波长计；40、第一起偏器；50、1/4波片；60、光路开关；70、三维磁线圈；80、磁屏蔽桶；90、检测激光单元；100、第二起偏器；110、法拉第调制器；120、光电探测器；130、第三起偏器；140、原子气室。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，该原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法包括：调整SERF原子自旋陀螺仪原子气室温度至工作温度；在原子气室外部设置磁屏蔽桶80以屏蔽外界磁干扰，在原子气室外部设置三维磁线圈70以补偿磁屏蔽桶80的剩余磁场以及施加设定恒定磁场；设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器40、1/4波片50和光路开关60进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运，设置波长计30检测驱动激光波长以及驱动激光输出频率；设置检测激光沿第二方向通过第二起偏器100和法拉第调制器110进入原子气室，设置光电探测器120接收检测激光光强；打开光路开关60，通过三维磁线圈70将原子气室内的环境剩磁补偿到零；关闭光路开关60，三维磁线圈70沿第三方向施加设定磁场，沿第一方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描，检测驱动激光波长并使驱动激光波长为碱金属原子D1线频率，第一方向、第二方向以及第三方向两两相垂直；在第一扫描周期内，打开光路开关60并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器120接收检测激光的第一检测激光光强；根据第一检测激光光强计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率。
应用此种配置方式，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，该方法通过设置检测激光通过法拉第调制器沿第二方向透过原子气室，经光电探测器接收透过原子气室的激光，同步采集驱动激光波长和光电探测器检测到的光强，光电探测器检测到的光强中包含着光位移信息；对第一方向进行磁场扫描，光电检测器检测到光强随第一方向磁场变化的曲线为洛伦兹曲线，当第一方向磁场与抽运激光频率下的光位移数值相等时，信号最强，此时通过对信号相应进行函数曲线拟合以获取相应驱动激光频率下的第一方向的光位移和碱金属电子自旋的总弛豫率，进而实现原子自旋陀螺仪电子极化率测量，此种方式能够实现原子自旋陀螺仪电子极化率的精准测量，解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量精度低的技术问题。此外，通过控制驱动激光抽运时间短于原子气室内部碱金属电子与惰性气体原子核碰撞的时间，能够减小惰性气体原子核的极化率，忽略惰性气体原子核的极化对电子造成的影响。在本发明中，第一方向为z方向，第二方向为x方向，第三方向为y方向。
本发明的工作原理具体如下。当原子处在直流的外磁场或者电场中，能级会产生分裂或者移动，这是磁场或电场对原子钟电子与核的磁矩产生的磁相互作用的结果，分别称为塞曼效应和斯塔克效应。若辐射场是交变的电磁场，原子能级也会发生类似的分裂或者位移，称之为交变电流塞曼效应和斯塔克效应。光场是频率很高的电磁场，作用于原子时同样的也会产生塞曼效应和斯塔克效应，在光场中称之为光位移。光位移只与偏振光的圆偏振度和调谐频率有关，线偏振引起的光位移为零，当圆偏振光的频率调谐至原子跃迁频率时，其引起的光位移也为零。在原子自旋陀螺中，检测激光为线偏振光，因此不引起光位移；驱动激光为圆偏振光，实现对电子的抽运，赋予电子定轴自旋动量矩，沿驱动激光方向可以通过解算矩阵获得经过光抽运后电子自旋纵向的光位移，根据原子力学能量差公式结算出电子的光抽运率，进而得到原子光抽运后原子自旋纵向极化率。
具体地，在本发明中，为了实现原子自旋陀螺仪电子极化率测量，需要调整原子自旋陀螺仪原子气室温度至工作温度，在原子气室外部设置磁屏蔽桶80以屏蔽外界磁干扰，在原子气室外部设置三维磁线圈70以补偿磁屏蔽桶80的剩余磁场以及施加设定恒定磁场；设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器40、1/4波片50和光路开关60进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运，设置波长计30检测驱动激光波长以及驱动激光输出频率，控制驱动激光的抽运时间短于核子的自旋交换碰撞时间；设置检测激光沿第二方向通过第二起偏器100和法拉第调制器110进入原子气室，设置光电探测器120接收检测激光光强，同步采集驱动激光波长和光电探测器检测到的光强，光电探测器检测到的光强中包含着光位移信息；设置不同磁场强度，进行磁场扫描，光电检测器检测到光强随磁场强度变化的曲线为洛伦兹曲线，对信号相应进行函数曲线拟合以获取相应抽运激光频率下的光位移，从而实现对SERF原子自旋陀螺仪电子极化率测量。检测激光在x方向，则透过原子气室的激光，被光电探测器检测到的光强与x轴方向的极化率成正比，光强中包含着光位移信息，设置x方向磁场为0，y方向磁场为小量，对z方向进行磁场的扫描，则可以得到光电探测器光强信号随z方向磁场强度变化的曲线，为洛伦兹曲线。
当z方向磁场强度与抽运激光频率下的光位移数值相等时，该信号响应通过函数进行曲线拟合就可以得到响应抽运激光频率下的光位移Lz，式中y为光电探测器检测到光强，x为z方向磁场，By为y方向磁场，通过三维磁线圈主动施加，d为补偿参数，补偿拟合曲线与实际的差值，a,k为位置参数，通过曲线拟合即可得到。
在测得光位移后可以计算得到电子在光场作用下产生的光位移能量差，根据量子力学基本原理中跃迁前后原子的能量差公式与原子光抽运率公式之间的关系进而解算出原子的光抽运率，根据原子光抽运率计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率。其中，光位移能量差可根据来获取，原子光抽运率可根据Rp＝πrecfΦ来获取，其中ΔELS为光位移能量差，Rp为光抽运率，/>h为普朗克常量，re为光子半径，c为光速，f为常数1/3，Φ为单位时间内通过的光子数，/>为光子角动量的传递方位，/>为自旋角动量。通过光路开关60阻断驱动激光光路从而控制驱动激光抽运时间，通过法拉第调制器调制检测激光从而抑制检测激光的干扰，省去检测激光的闭环控制结构。该电子极化率的测量方法通过扫描磁场从而获取检测激光器光强随磁场强度变化的曲线，以得到由于驱动激光引起的光位移，从而根据能量差之间的关系来求出电子的光抽运率，进而计算出z轴方向的电子极化率。该原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法能够更精确测量电子的光抽运率，大幅度提高了原子自旋陀螺仪电子极化率的测量精确度，与现有技术相比，本发明的F原子自旋陀螺仪电子极化率测量方法能够解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量效率低、精确度不高的技术问题。
进一步地，为了消除剩磁影响，提高原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试精度，在光电探测器120接收到第一检测激光光强之后，电子极化率测量的测试方法还包括：旋转1/4波片180°，沿z方向施加第二扫描周期的锯齿波磁场扫描，在第二扫描周期内，打开光路开关60并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器120接收检测激光的第二检测激光光强；根据第一检测激光光强和第二检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
在本发明中，根据第一检测激光光强和第二检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率具体包括：根据第一检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第一光位移；根据第二检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第二光位移；根据第一光位移和第二光位移计算获取驱动激光频率下的综合光位移；根据驱动激光频率下的综合光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；根据电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；根据原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
其中，在本发明中，三维磁线圈补偿后剩磁不为零，因此需要对拟合公式进行修正，驱动激光频率下的第一光位移和第二光位移均可通过计算获取，此种光位移计算方式考虑了剩磁影响，因此计算精度更高。其中，a,k,e为位置参数，通过曲线拟合即可得到位置参数a,k,e。d为补偿参数，补偿拟合曲线与实际的差值；y为光电探测器120检测到光强，x为z方向磁场，By为y方向磁场。z方向存在剩余磁场，因此拟合后得到的参数b包括驱动激光频率下的光位移Lz和剩余磁场Bz0。
作为本发明的一个具体实施例，打开光路开关60，通过三维磁线圈70将原子气室内的环境剩磁补偿到零；关闭光路开关60，三维磁线圈70沿第三方向施加设定磁场，沿z方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描，检测驱动激光波长并使驱动激光波长为碱金属原子D1线频率；在第一扫描周期内，打开光路开关60并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器120接收检测激光的第一检测激光光强y1，根据计算获取驱动激光频率下的第一光位移Lz1，其中，b1包括驱动激光频率下的第一光位移Lz1和第一剩余磁场Bz01，a1,k1,e1为第一扫描周期的位置参数，d1为第一扫描周期的补偿参数，y1为第一扫描周期光电探测器120检测到光强，x1为第一扫描周期中z方向磁场，By1为第一扫描周期中y方向磁场。然后，旋转1/4波片180°，沿z方向施加第二扫描周期的锯齿波磁场扫描，在第二扫描周期内，打开光路开关60并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过光电探测器120接收检测激光的第二检测激光光强y2，根据计算获取驱动激光频率下的第二光位移Lz2，其中，b2包括驱动激光频率下的第二光位移Lz2和第二剩余磁场Bz02，a2,k2,e2为第二扫描周期的位置参数，d2为第二扫描周期的补偿参数，y2为第二扫描周期光电探测器120检测到光强，x2为第二扫描周期中z方向磁场，By2为第二扫描周期中y方向磁场。
进一步地，在本发明中，综合光位移Lz综可根据计算获取，其中，b-为驱动激光频率下的第一光位移Lz和第一剩余磁场Bz01，b+为驱动激光频率下的第二光位移Lz2和第二剩余磁场Bz02。
在获取了综合光位移Lz综之后，即可根据驱动激光频率下的综合光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差，根据电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率，根据原子光抽运率计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率。其中，光位移能量差可根据来获取，原子光抽运率可根据Rp＝πrecfΦ来获取，其中ΔELS为光位移能量差，Rp为光抽运率，/>h为普朗克常量，re为光子半径，c为光速，f为常数1/3，Φ为单位时间内通过的光子数，/>为光子角动量的传递方位，/>为自旋角动量。SERF原子自旋陀螺仪电子极化率/>可根据/>计算获取，其中，Rtot为碱金属电子自旋总的弛豫率，Rp为原子光抽运率。
根据本发明的另一方面，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统，该原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统使用如上所述的测试方法进行电子极化率测量。
应用此种配置方式，提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统，由于本发明所提供的测试方法通过设置检测激光通过法拉第调制器沿第二方向透过原子气室，经光电探测器接收透过原子气室的激光，同步采集驱动激光波长和光电探测器检测到的光强，光电探测器检测到的光强中包含着光位移信息；对第一方向进行磁场扫描，光电检测器检测到光强随第一方向磁场变化的曲线为洛伦兹曲线，当第一方向磁场与抽运激光频率下的光位移数值相等时，信号最强，此时通过对信号相应进行函数曲线拟合以获取相应驱动激光频率下的第一方向的光位移和碱金属电子自旋的总弛豫率，进而实现原子自旋陀螺仪电子极化率测量，此种方式能够实现原子自旋陀螺仪电子极化率的精准测量，解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量精度低的技术问题。此外，通过控制驱动激光抽运时间短于原子气室内部碱金属电子与惰性气体原子核碰撞的时间，能够减小惰性气体原子核的极化率，忽略惰性气体原子核的极化对电子造成的影响。因此，将该方法用于测试系统中进行原子极化率的测试，能够极大地提高测试的系统的测试精度。
进一步地，在本发明中，SERF原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统包括：驱动激光单元10、分光镜20、波长计30、第一起偏器40、1/4波片50、光路开关60、三维磁线圈70、磁屏蔽桶80、检测激光单元90、第二起偏器100、法拉第调制器110和光电探测器120，驱动激光单元10用于输出驱动激光，分光镜20用于将驱动激光分光后分别进入第一起偏器40和波长计30，波长计30用于检测驱动激光的波长和频率，第一起偏器40用于对驱动激光进行起偏以将驱动激光转变为偏振光，1/4波片50用于将起偏后的驱动激光转换为圆偏振光，光路开关60设置在1/4波片50和原子气室之间，三维磁线圈70和磁屏蔽桶80均设置在原子气室140的外部，磁屏蔽桶80用于屏蔽外部磁干扰，三维磁线圈70用于补偿磁屏蔽桶80的剩余磁场以及施加设定恒定磁场，检测激光单元90用于输出检测激光，检测激光通过第二起偏器100和法拉第调制器110进入原子气室，第二起偏器100用于对检测激光进行起偏以将检测激光转变为偏振光，法拉第调制器110用于对起偏后的检测激光进行调制，光电探测器120用于接收透过原子气室140的检测激光的光强。此外，在光电探测器120与原子气室140之间还设置有第三起偏器130，第三起偏器130用于对透过原子气室140的激光进行起偏。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明所提供的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，该测试方法具体包括如下步骤。
步骤一，调整原子气室温度至工作温度，在原子气室外部设置磁屏蔽桶80以屏蔽外界磁干扰，在原子气室外部设置三维磁线圈70以补偿磁屏蔽桶80的剩余磁场以及施加设定恒定磁场；设置驱动激光沿z方向依次通过第一起偏器40、1/4波片50和光路开关60进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运，设置波长计30检测驱动激光波长以及驱动激光输出频率；设置检测激光沿x方向通过第二起偏器100和法拉第调制器110进入原子气室，设置光电探测器120接收检测激光光强。在本实施例中，如图1所示，原子气室设置在磁屏蔽桶和三维磁线圈的中心位置，通过加热单位和PID闭环控制使原子气室稳定在工作温度。在本实施例中，原子气室的设置温度根据原子气室内部的气体和其他要求进行调整，比如可设定为110℃。设置驱动激光光路和检测光路需要对加热装置进行开口，作为本发明的一个具体实施例，选择在加热支撑装置周围开5mm的通孔，为驱动激光和检测激光提供光学通路。此外，在本实施例中，驱动光源发出的激光经起偏器与1/4波片后形成圆偏振驱动激光，频率为碱金属原子D1线频率，沿z方向射入原子气室，使得原子气室内的碱金属电子与惰性气体核自旋极化。
步骤二，打开光路开关60，通过三维磁线圈70主动补偿原子气室140中感受到的环境剩磁到零。在本实施例中，经三维磁线圈主动补偿后，x、y方向的剩余磁场在0.5nT范围内，z方向的剩余磁场在1nT范围以内。
步骤三，补偿结束后关闭光路开关60，对y方向施加小量磁场，z方向施加锯齿波磁场扫描，记录驱动激光频率f1。在本实施例中，采用的三维赫姆赫兹线圈，每一维均可以单独控制，对y轴方向施加16nT的磁场，z轴方向施加-2000nT至2000nT的锯齿波磁场扫描。三维线圈施加磁场后需要记录波长计采集到的驱动激光输出频率。作为本发明的一个具体实施例，初始时驱动激光的频率为335111GHz。
步骤四，在第一扫描周期内迅速打开关闭光路开关60，控制驱动激光抽运时间短于碱金属电子与惰性气体原子核的自旋交换碰撞时间，从而避免原子核极化对测试结果造成影响。在本实施例中，光路开关60打开时间小于2s。
步骤五，通过旋转1/4波片180°改变驱动激光的圆偏振方向，重复扫描周期，从而减去经三维磁线圈主动补偿后的剩磁Bz0。以左旋圆偏振光测量光位移，通过修正后曲线函数拟合得到的b+中包括抽运激光光位移Lz1和剩磁Bz01，更改为右旋圆偏振光后，同一条件下，测得的b-中包括抽运激光光位移-Lz2和剩磁Bz02，综合作用下，该条件下测得的光位移其中，根据修正后拟合公式/>从而计算此驱动激光频率下的第一光位移和第二光位移，从而计算出此驱动激光频率下的光抽运率。由于剩磁的影响，拟合公式在实际使用过程中为/>其中a、k、b、e均为曲线拟合得到。
步骤六，根据第一光位移和第二光位移计算获取驱动激光频率下的综合光位移；根据驱动激光频率下的综合光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；根据电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；根据原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。在本发明中，综合光位移Lz综可根据计算获取，其中，b-为驱动激光频率下的第一光位移Lz和第一剩余磁场Bz01，b+为驱动激光频率下的第二光位移Lz2和第二剩余磁场Bz02。光位移能量差可根据/>来获取，原子光抽运率可根据Rp＝πrecfΦ来获取，其中ΔELS为光位移能量差，Rp为光抽运率，h为普朗克常量，re为光子半径，c为光速，f为常数1/3，Φ为单位时间内通过的光子数，/>为光子角动量的传递方位，/>为自旋角动量。原子自旋陀螺仪电子极化率/>可根据/>计算获取，其中，Rtot为碱金属电子自旋总的弛豫率，Rp为原子光抽运率。在本实施例中，通过测得驱动激光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不同情况下的光位移，二者运算除去z方向的剩磁Bz0，得到此驱动激光频率下电子的光位移。在本实施例，计算后得到此驱动激光频率下的光位移为294.5nT，进而计算得到光抽运率为29506(1/s)。
本实施例所提供的原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法通过扫描磁场从而获取检测激光器光强随磁场强度变化的曲线，以得到由于驱动激光引起的光位移，从而根据能量差之间的关系来求出电子的光抽运率，进而求出z方向电子的极化率。该原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法能够更精确测量电子的光抽运率，大幅度提高了原子自旋陀螺仪电子极化率的测量精确度，与现有技术相比，本发明所提供的原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法能够解决现有技术中电子极化率测量效率低、精确度不高的技术问题。本发明的原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法相比于传统的测量方法在测量时间上可以减小3-4倍，测量准确度可提高3-6倍，大幅度提高了光抽运率的测量效率和测量精度。
综上所述，本发明提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法，该原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法通过扫描磁场从而获取检测激光器光强随磁场强度变化的曲线，以得到由于驱动激光引起的光位移，从而根据能量差之间的关系来求出电子的光抽运率，进而解算出电子的极化率，该光抽运率的测量方法能够更精确测量电子的光抽运率，大幅度提高了原子自旋陀螺仪电子极化率精确度，与现有技术相比，本发明的原子自旋陀螺仪电子极化率的测量方法能够解决现有技术中电子的极化率测量效率低、精确度不高的技术问题。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，所述原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法包括：
调整原子自旋陀螺仪原子气室温度至工作温度；
在所述原子气室外部设置磁屏蔽桶(80)以屏蔽外界磁干扰，在所述原子气室外部设置三维磁线圈(70)以补偿所述磁屏蔽桶(80)的剩余磁场以及施加设定恒定磁场；
设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器(40)、1/4波片(50)和光路开关(60)进入所述原子气室以对原子气室内的电子进行抽运，设置波长计(30)检测驱动激光波长以及驱动激光输出频率；
设置检测激光沿第二方向通过第二起偏器(100)和法拉第调制器(110)进入所述原子气室，设置光电探测器(120)接收检测激光光强；
打开所述光路开关(60)，通过所述三维磁线圈(70)将所述原子气室内的环境剩磁补偿到零；
关闭所述光路开关(60)，所述三维磁线圈(70)沿第三方向施加设定磁场，沿所述第一方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描，检测驱动激光波长并使所述驱动激光波长为碱金属原子D1线频率；在第一扫描周期内，打开所述光路开关(60)并控制所述驱动激光的抽运时间短于所述原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过所述光电探测器(120)接收检测激光的第一检测激光光强，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向两两相垂直；
根据所述第一检测激光光强计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率；
在所述光电探测器(120)接收到第一检测激光光强之后，所述电子极化率测量的测试方法还包括：旋转所述1/4波片(50)180°，沿所述第一方向施加第二扫描周期的锯齿波磁场扫描，在第二扫描周期内，打开所述光路开关(60)并控制所述驱动激光的抽运时间短于所述原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，通过所述光电探测器(120)接收检测激光的第二检测激光光强；根据所述第一检测激光光强和所述第二检测激光光强计算获取SERF原子自旋陀螺仪电子极化率；
根据所述第一检测激光光强和所述第二检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率具体包括：
根据所述第一检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第一光位移；
根据所述第二检测激光光强计算获取驱动激光频率下的第二光位移；
根据所述第一光位移和所述第二光位移计算获取驱动激光频率下的综合光位移；
根据所述驱动激光频率下的综合光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；
根据所述电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；
根据所述原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
2.根据权利要求1所述的SERF原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，根据所述第一检测激光光强计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率具体包括：根据所述第一检测激光光强计算获取驱动激光频率下的光位移；根据所述驱动激光频率下的光位移计算获取电子在光场作用下产生的光位移能量差；根据所述电子在光场作用下产生的光位移能量差计算获取原子光抽运率；根据所述原子光抽运率计算获取原子自旋陀螺仪电子极化率。
3.根据权利要求1所述的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，所述驱动激光频率下的第一光位移和第二光位移均通过计算获取，其中，b包括驱动激光频率下的光位移Lz和剩余磁场Bz0，a,k,e为位置参数，d为补偿参数，y为光电探测器(120)检测到光强，x为z方向磁场，By为y方向磁场。
4.根据权利要求3所述的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，所述综合光位移Lz综根据计算获取，其中，b-为驱动激光频率下的第一光位移Lz1和第一剩余磁场Bz01，b+为驱动激光频率下的第二光位移Lz2和第二剩余磁场Bz02。
5.根据权利要求4所述的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，所述原子自旋陀螺仪电子极化率根据/>计算获取，其中，Rtot为碱金属电子自旋总的弛豫率，Rp为原子光抽运率。
6.根据权利要求5所述的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法，其特征在于，所述光位移能量差根据量子力学能量差公式推导得到的公式来获取，所述原子光抽运率根据Rp＝πrecfΦ来获取，其中ΔELS为光位移能量差，Rp为光抽运率，h为普朗克常量，re为光子半径，c为光速，f为常数1/3，Φ为单位时间内通过的光子数，/>为光子角动量的传递方位，/>为自旋角动量。
7.一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统，其特征在于，所述原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统使用如权利要求1至6中任一项所述的测试方法进行电子极化率测量。
8.根据权利要求7所述的原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统，其特征在于，原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试系统包括：驱动激光单元(10)、分光镜(20)、波长计(30)、第一起偏器(40)、1/4波片(50)、光路开关(60)、三维磁线圈(70)、磁屏蔽桶(80)、检测激光单元(90)、第二起偏器(100)、法拉第调制器(110)和光电探测器(120)，所述驱动激光单元(10)用于输出驱动激光，所述分光镜(20)用于将所述驱动激光分光后分别进入所述第一起偏器(40)和所述波长计(30)，所述波长计(30)用于检测所述驱动激光的波长和频率，所述第一起偏器(40)用于对所述驱动激光进行起偏，所述1/4波片(50)用于将起偏后的所述驱动激光转换为圆偏振光，所述光路开关(60)设置在所述1/4波片(50)和原子气室之间，所述三维磁线圈(70)和所述磁屏蔽桶(80)均设置在所述原子气室外部，所述磁屏蔽桶(80)用于屏蔽外部磁干扰，所述三维磁线圈(70)用于补偿所述磁屏蔽桶(80)的剩余磁场以及施加设定恒定磁场，所述检测激光单元(90)用于输出检测激光，所述检测激光通过所述第二起偏器(100)和所述法拉第调制器(110)进入所述原子气室，所述第二起偏器(100)用于对所述检测激光进行起偏，所述法拉第调制器(110)用于对起偏后的所述检测激光进行调制，所述光电探测器(120)用于接收透过所述原子气室的检测激光的光强。
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