CN114322974B - 基于MEMS气室的Rb-131Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MEMS气室的Rb‑¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统和方法，通过选取Rb‑¹³¹Xe原子源可以大幅降低陀螺仪启动时间，并且能保证一定的陀螺仪测量灵敏度；选取¹³¹Xe原子可以降低陀螺仪的研制成本，易于芯片化。碱金属气室是原子自旋陀螺仪的敏感核心，基于MEMS技术的碱金属气室是未来芯片化原子自旋陀螺仪的敏感核心元器件。为了匹配MEMS平面化工艺，发明一种单光束的自旋抽运和探测系统，将原有原子自旋陀螺仪中的抽运‑探测正交光束方案大幅简化，适用于芯片化的需求。本发明有望在芯片原子自旋陀螺仪的工程化得到应用，在未来微小型化惯性导航、无人驾驶、水下无人系统等领域得到广泛应用。

Description

基于MEMS气室的Rb-131Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统和 方法

技术领域

本发明属于芯片量子陀螺仪传感器领域，尤其涉及一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测方法，旨在发明一种适合原子自旋陀螺仪芯片化的检测方法，设计一种适用于芯片原子自旋陀螺仪的原子源组合，结合MEMS工艺完成原子自旋陀螺仪的芯片化。

背景技术

随着量子科学与技术的发展，基于原子无自旋交换碰撞弛豫态(Spin ExchangeRelaxation Free Regime:SERF)的超高灵敏陀螺仪(原子自旋陀螺仪)被提出并得到实验验证，它被认为是下一代超高精度惯性技术的发展方向之一，特别是将原子自旋陀螺仪技术和微纳加工 MEMS技术相结合，有望突破现有传感器的尺寸、功耗和成本，使得原子自旋陀螺仪大规模应用，在国防领域、无人驾驶汽车、无人机以及消费电子等领域得到广泛应用。决定原子自旋陀螺仪体积的关键在于两个方面，一是传统抽运-探测正交双光路系统结构复杂，并且需要光弹调制等手段，技术复杂，不利于微小型化。二是传统的传感器使用玻璃烧制工艺进行碱金属气室制作，气室尺寸大、成本高。另外，现有的原子自旋陀螺仪使用K-Rb-²¹Ne的原子源组合，启动时间大约在5h，大幅降低原子自旋陀螺仪的可用性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统和方法，该检测系统使用MEMS碱金属气室替代传统的玻璃烧制气室，成本、体积大幅降低；气室中充入Rb-¹³¹Xe原子源组合，大幅降低原子自旋陀螺仪的稳定时间，扩大原子自旋陀螺仪的应用范围；该检测系统使得气室、加热、保温隔热、光路和探测系统集成度高，体积小；本发明提出单光束的核自旋探测方法，通过磁场调制将传统的双光束探测变为单光束探测，将光旋角的检测变为光吸收的探测，能够降低光学系统的漂移指标，不使用光弹、法拉第晶体等调制系统，简化系统的探测方案。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，其特征在于，该系统包括泵浦激光器电流和温度控制器、半导体垂直腔面激光管、光学透镜一、偏振片、λ/4波片、真空隔热系统玻璃窗口、全反射棱镜一、全反射棱镜二、MEMS碱金属气室、隔热片、保温隔热箱体、线圈、光电探测器、加热激光器电流和温度电路、加热激光器芯片、光学透镜二、微弱电流放大器、信号处理电路；

所述保温隔热箱体内部为密闭腔室，其内部真空度＜100Pa；所述保温隔热箱体一侧为真空隔热系统玻璃窗口，线圈贴在密闭腔室外侧，为所述MEMS碱金属气室提供直流和交流磁场，直流磁场用于补偿碱金属原子感受到的剩余磁场，交流磁场用来调制碱金属原子的电子自旋进动方向；所述MEMS碱金属气室和位于MEMS碱金属气室两侧的全反射棱镜一、全反射棱镜二均位于所述保温隔热箱体内；MEMS碱金属气室内部充入碱金属原子Rb、惰性气体¹³¹Xe和氮气；所述隔热片贴合MEMS碱金属气室，用于隔绝热传导；λ/4波片、光学透镜一、光学透镜二、光电探测器、偏振片、半导体垂直腔面激光器、加热激光器芯片均位于所述保温隔热腔体的真空隔热系统玻璃窗口的一侧；

所述MEMS碱金属气室的主体结构通过玻璃-硅键合工艺完成原子的封装，其面向全反射棱镜一、全反射棱镜二的侧面为玻璃，能够透光，其他侧面为硅材料；

所述加热激光器电流和温度电路控制加热激光器芯片的温度和电流，从而输出光强可控的加热激光，经过光学透镜二之后平行入射MEMS碱金属气室；所述泵浦激光器电流和温度控制器控制半导体垂直腔面激光管的温度从而稳定其输出波长，同时控制激光管的电流从而控制激光输出功率；所述半导体垂直腔面激光管发出的抽运激光经所述光学透镜一进行整形后平行光输出，进入偏振片将光束变为线偏振光，之后经过λ/4波片变为圆偏振光，圆偏振光通过真空隔热系统玻璃窗口入射至反射棱镜一，经过90度折返进入MEMS碱金属气室，再次通过反射棱镜一折返之后进入光电探测器转变为电流信号，微弱电流放大器将上述微弱电流信号进行放大转变为电压信号后进一步进入信号处理电路进行信号处理。

进一步地，所述线圈产生两组正交磁场，其中一个磁场的方向沿着抽运光方向，另外一组磁场的方向平行于加热激光方向，平行抽运光方向的磁场为直流磁场，磁场范围为-2000nT-2000nT；平行于加热激光方向同时施加交变磁场和直流磁场，频率在500-5000Hz，其中直流磁场用于补偿外界剩余磁场，交变磁场用于调制原子自旋的方向；信号处理电路中的锁相环参考信号为调制磁场信号。

进一步地，所述MEMS碱金属气室为圆柱或者立方体的空腔结构，腔体内部的¹³¹Xe原子的充入量为5-20Torr，N₂原子的充入量为500-760Torr；通光玻璃面的大小在2mm-5mm之间，两个玻璃面的距离在2mm-5mm。

进一步地，加热激光器的波长在400-600nm之间。

一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测方法，该方法基于上述的检测系统来实现，该方法包括如下步骤：

S1：调节所述泵浦激光器电流和温度控制器使得半导体垂直腔面激光管发出的激光波长为碱金属原子Rb的D1线吸收波长；调节热激光器芯片的功率，使得MEMS碱金属气室内部的Rb原子吸收抽运光的光学深度为1～3时，即调节到所需要的工作温度；

S2：调节所述半导体垂直腔面激光管的抽运激光功率，使得碱金属Rb的电子自旋极化率达到50％，待稳定工作一段时间左右后进行磁场补偿和工作点寻找；

S3：施加给线圈在平行于加热激光器方向一个交流磁场，磁场幅度在100-5000nT，Rb 原子的电子自旋收到磁场调制，读取光电探测器经过放大之后的信号，通过信号处理电路中的锁相环电路提取微弱电流放大器之后的一倍频信号，参考信号选择施加给线圈的交流磁场信号；

S4：通过¹³¹Xe核自旋和Rb电子自旋强耦合补偿外界平行于加热激光器方向的剩余磁场，通过强耦合将平行于抽运光方向的磁场设置在核自旋自补偿点，则基于Rb-¹³¹Xe的角速度测量传感器工作在正常状态；

S5：采用该系统对平行于磁场调制线圈方向的转动角速度进行测量，得到陀螺仪输出信号。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，使用MEMS碱金属气室替代传统的玻璃烧制气室，成本、体积大幅降低；气室中充入Rb-¹³¹Xe原子源组合，使得原子自旋陀螺仪的启动时间降低到1min左右，大幅提高了原子自旋陀螺仪的可用性。

(2)本发明的检测系统，提出使用MEMS碱金属气室进行敏感测量，并且使用MEMS工艺将碱金属气室和加热、隔热系统进行集成，进一步降低整个传感器的体积、功耗和成本。

(3)本发明的单光束的核自旋探测方法，通过磁场调制将传统的双光束探测系统变为单光束探测系统，将光旋角的检测变为光吸收的探测，有望降低光学系统的漂移指标，不使用光弹、法拉第晶体等调制系统，简化系统的探测方案。

附图说明

图1是基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测方法实验装置示意图。

图2是MEMS碱金属气室结构及充入原子种类示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，包括泵浦激光器电流和温度控制器1、半导体垂直腔面激光管2、光学透镜一3、偏振片4、λ/4波片5、真空隔热系统玻璃窗口6、全反射棱镜一7、全反射棱镜二8、MEMS碱金属气室9、隔热片10、保温隔热箱体11、线圈12、光电探测器13、加热激光器电流和温度电路14、加热激光器芯片15、光学透镜二16、微弱电流放大器17、信号处理电路18。

保温隔热箱体11内部为密闭腔室，其一侧为真空隔热系统玻璃窗口6。在保温隔热箱体 11封装时保证其内部真空度＜100Pa，有效地降低热传导带来的热量损耗。MEMS碱金属气室9位于保温隔热箱体11内，保温隔热箱体11用于保持MEMS碱金属气室9的温度，隔绝热量的耗散，降低系统的总功耗。隔热片10贴合MEMS碱金属气室9一侧，用于隔绝9的热量向11进行热传导。

线圈12贴在保温隔热箱体11的外侧，为MEMS碱金属气室9提供直流和交流磁场，直流磁场用于补偿碱金属原子感受到的剩余磁场，交流磁场用来调制碱金属原子的电子自旋进动方向。

其中，MEMS碱金属气室9主体结构由玻璃和硅组成，通过玻璃-硅键合工艺完成原子的封装，其中气室两面透光，为玻璃材质，碱金属气室剩余侧面为硅材料，硅材料用于吸收加热激光器发出的激光的光强，最终转化为热量来加热气室。空腔结构为圆柱或者立方体，如图2所示，腔体内部充入3种原子，分别为A(Rb原子)，B(¹³¹Xe)和C(N₂)，B的充入量为5-20Torr，C的充入量为500-760Torr；通光玻璃面的大小在2mm-5mm之间，两个玻璃面的距离在2mm-5mm之间。

λ/4波片5、光学透镜一3、光学透镜二16、光电探测器13、偏振片4、半导体垂直腔面激光器2、加热激光器芯片15均位于保温隔热箱体11的玻璃窗口6的一侧。加热激光器电流和温度电路14控制加热激光器芯片15的温度和电流，从而控制激光输出的功率和波长，最终决定加热MEMS碱金属气室(9)的温度；加热激光器芯片15输出光强可控的加热激光，经过光学透镜二16之后平行入射MEMS碱金属气室9，加热激光器的波长在400-600nm之间，硅材料吸收光之后转化为热能，使得MEMS气室9温度达到100-200℃之间。

泵浦激光器电流和温度控制器1控制半导体垂直腔面激光管2的温度从而稳定其输出波长，同时控制激光管的电流从而控制激光输出功率。半导体垂直腔面激光管2发出的抽运激光经光学透镜一3进行整形后平行光输出，进入偏振片4将光束变为线偏振光，之后经过λ/4 波片5变为圆偏振光，圆偏振光通过真空隔热系统玻璃窗口6入射至反射棱镜一7，经过90 度折返进入MEMS碱金属气室9，再次通过反射棱镜一8折返之后进入光电探测器13转变为电流信号，微弱电流放大器17将微弱电流信号进行放大转变为电压信号后进一步进入信号处理电路18进行信号处理。

本发明提出的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测方法，包括如下步骤：

步骤一：调节热激光器芯片15的功率，进而达到调节保温隔热箱体11内部MEMS碱金属气室9的温度的目的，当Rb原子吸收抽运光的光学深度为1～3时，即调节到所需要的工作温度；

步骤二：调节泵浦激光器电流和温度控制器1，使得碱金属Rb的电子自旋极化率达到50％，待稳定工作一段时间左右后进行磁场补偿和工作点寻找；半导体垂直腔面激光管2发出的抽运激光依次经过光学透镜一3、偏振片4、λ/4波片5使得进入气室的光为平行圆偏振光；圆偏振光通过真空隔热系统玻璃窗口6入射至反射棱镜一7，经过90度折返进入MEMS碱金属气室9，再次通过反射棱镜一8折返之后进入光电探测器13转变为电流信号，微弱电流放大器17将上述微弱电流信号进行放大转变为电压信号后进一步进入信号处理电路18进行信号处理；

步骤三：施加给线圈在平行于加热激光器方向一个交流磁场，磁场幅度在100-5000nT， Rb原子的电子自旋受到磁场调制，读取光电探测器经过放大之后的信号，通过信号处理电路中的锁相环电路提取微弱电流放大器之后的一倍频信号，参考信号选择施加给线圈的交流磁场信号；

步骤四：通过¹³¹Xe核自旋和Rb电子自旋强耦合补偿外界平行于加热激光器方向的剩余磁场，通过强耦合将平行于抽运光方向的磁场设置在核自旋自补偿点，基于Rb-¹³¹Xe的角速度测量传感器工作在正常状态；

步骤五：陀螺仪测量和调制线圈产生磁场方向平行的输入转动角速度，即测量陀螺仪的输入角速度信号。通过陀螺仪对转动角速度的测量实现惯性导航。

本发明的原理如下：

假设MEMS碱金属气室中Rb的密度为n_Rb，¹³¹Xe的密度为n_Xe，Rb通过自旋交换碰撞相互作用对¹³¹Xe原子进行超极化，处于稳定状态下，假设超极化的¹³¹Xe原子产生的被Rb 原子感受到的磁场为Bⁿ，而Rb原子产生的等效的被¹³¹Xe感受到的磁场为B^e，上述两种磁场都在抽运光方向。同时在抽运光方向施加-(Bⁿ+B^e)磁场，则核子感受到一个和自己产生磁场大小相等，方向相反的磁场，在此状态下，核自旋可以自动跟踪补偿外界干扰磁场，比如在加热激光方向由于地磁场变化而导致的屏蔽筒内部的变化磁场。假设外界输入转动角速度Ω，在加热激光方向，我们假定为y方向，我们同时假定抽运激光方向为z方向。在此状态下， Rb原子将感受到一个等价的磁场，大小为Ω_y/γ_Xe，其中γ_Xe为¹³¹Xe的旋磁比，方向在y方向。由Rb原子、调制磁场和抽运激光组成的单光束吸收方式原子磁强计可以对上述等价磁场进行测量。

假设在y方向施加调制磁场B_rfCos(ωt)，由于调制磁场的作用，稳定状态时，z方向电子自旋的极化率也会倍调制，并且调制频率同为ω，进而抽运光的光强也会被调制，因为抽运光吸收的光强和z方向Rb的电子自旋极化率P成正比，通过信号处理电路，以调制信号为参考信号，解调输出光强信号，输出ω一倍频信号的幅值V和输入角速度信号Ω_y的关系为 (在小的转动幅度下)：

其中P_z ^e为Rb原子电子自旋在z方向的极化率大小，一般为0.5，γ_e为电子自旋的旋磁比，R_tot为Rb原子电子自旋的总弛豫率，包括自旋破坏碰撞弛豫、自旋交换碰撞弛豫以及光抽运率 k₁为一个系数，他表示由于调制作用，导致的输出等效电子自旋极化率的衰减，一般为0.8 左右，k₂为电子自旋极化率转变为光吸收的系数，包括光电探测器的转换效率、光电探测器放大器的电流-电压放大倍数等。以上公式表明，在小的角速度输入信号下，输入转动角速度和输出信号成正比。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，其特征在于，该系统包括泵浦激光器电流和温度控制器（1）、半导体垂直腔面激光管（2）、光学透镜一（3）、偏振片（4）、λ/4波片（5）、真空隔热系统玻璃窗口（6）、全反射棱镜一（7）、全反射棱镜二（8）、MEMS碱金属气室（9）、隔热片（10）、保温隔热箱体（11）、线圈（12）、光电探测器（13）、加热激光器电流和温度电路（14）、加热激光器芯片（15）、光学透镜二（16）、微弱电流放大器（17）、信号处理电路（18）；

所述保温隔热箱体（11）内部为密闭腔室，其内部真空度＜100Pa；所述保温隔热箱体（11）一侧为真空隔热系统玻璃窗口（6），线圈（12）贴在密闭腔室外侧，为所述MEMS碱金属气室（9）提供直流和交流磁场，直流磁场用于补偿碱金属原子感受到的剩余磁场，交流磁场用来调制碱金属原子的电子自旋进动方向；所述MEMS碱金属气室（9）和位于MEMS碱金属气室（9）两侧的全反射棱镜一（7）、全反射棱镜二（8）均位于所述保温隔热箱体（11）内；MEMS碱金属气室（9）内部充入碱金属原子Rb、惰性气体¹³¹Xe和氮气；所述隔热片（10）贴合MEMS碱金属气室（9），用于隔绝热传导；λ/4波片（5）、光学透镜一（3）、光学透镜二（16）、光电探测器（13）、偏振片（4）、半导体垂直腔面激光器（2）、加热激光器芯片（15）均位于所述保温隔热腔体（11）的真空隔热系统玻璃窗口（6）的一侧；

所述MEMS碱金属气室的主体结构通过玻璃-硅键合工艺完成原子的封装，其面向全反射棱镜一（7）、全反射棱镜二（8）的侧面为玻璃，能够透光，其他侧面为硅材料；

所述加热激光器电流和温度电路（14）控制加热激光器芯片（15）的温度和电流，从而输出光强可控的加热激光，经过光学透镜二（16）之后平行入射MEMS碱金属气室（9）；所述泵浦激光器电流和温度控制器（1）控制半导体垂直腔面激光管（2）的温度从而稳定其输出波长，同时控制激光管的电流从而控制激光输出功率；所述半导体垂直腔面激光管（2）发出的抽运激光经所述光学透镜一（3）进行整形后平行光输出，进入偏振片（4）将光束变为线偏振光，之后经过λ/4波片（5）变为圆偏振光，圆偏振光通过真空隔热系统玻璃窗口（6）入射至反射棱镜一（7），经过90度折返进入MEMS碱金属气室（9），再次通过反射棱镜一（8）折返之后进入光电探测器（13）转变为电流信号，微弱电流放大器（17）将上述微弱电流信号进行放大转变为电压信号后进一步进入信号处理电路（18）进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，其特征在于，所述线圈（12）产生两组正交磁场，其中一个磁场的方向沿着抽运光方向，另外一组磁场的方向平行于加热激光方向，平行抽运光方向的磁场为直流磁场，磁场范围为-2000nT-2000nT；平行于加热激光方向同时施加交变磁场和直流磁场，频率在500-5000Hz，其中直流磁场用于补偿外界剩余磁场，交变磁场用于调制原子自旋的方向；信号处理电路（18）中的锁相环参考信号为调制磁场信号。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，其特征在于，所述MEMS碱金属气室（9）为圆柱或者立方体的空腔结构，腔体内部的¹³¹Xe原子的充入量为5-20Torr，N₂原子的充入量为500-760Torr；通光玻璃面的大小在2mm-5mm之间，两个玻璃面的距离在2mm-5mm。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测系统，其特征在于，加热激光器的波长在400-600nm之间。

5.一种基于MEMS气室的Rb-¹³¹Xe原子自旋陀螺仪单光束检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的检测系统来实现，该方法包括如下步骤：

S1：调节所述泵浦激光器电流和温度控制器（1）使得半导体垂直腔面激光管（2）发出的激光波长为碱金属原子Rb的D1线吸收波长；调节热激光器芯片（15）的功率，使得MEMS碱金属气室（9）内部的Rb原子吸收抽运光的光学深度为1~3时，即调节到所需要的工作温度；

S2：调节所述半导体垂直腔面激光管（2）的抽运激光功率，使得碱金属Rb的电子自旋极化率达到50%，待稳定工作一段时间左右后进行磁场补偿和工作点寻找；

S3：施加给线圈（12）在平行于加热激光器方向一个交流磁场，磁场幅度在100-5000nT，Rb原子的电子自旋受到磁场调制，读取光电探测器（13）经过放大之后的信号，通过信号处理电路（18）中的锁相环电路提取微弱电流放大器（17）之后的一倍频信号，参考信号选择施加给线圈的交流磁场信号；

S4：通过¹³¹Xe核自旋和Rb电子自旋强耦合补偿外界平行于加热激光器方向的剩余磁场，通过强耦合将平行于抽运光方向的磁场设置在核自旋自补偿点，则基于Rb-¹³¹Xe的角速度测量传感器工作在正常状态；

S5：采用该系统对平行于磁场调制线圈方向的转动角速度进行测量，得到陀螺仪输出信号。

Images