CN114413872B - 一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器 - Google Patents

一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，包括真空系统、光路系统和磁场系统；其采用全固化的空间光路，减少光纤的使用数量，有效提升整体稳定性，通过三束入射囚禁激光经空间偏振分光形成12束囚禁光，以作为两个MOT所需的囚禁光，有效降低原子温度，提升有效原子数目，提升原子干涉效率；其利用囚禁激光跳频方式产生探测光，有效减少了入射激光数量，整个装置设计紧凑、合理，装调方便，较大地提高了系统工作的效率和稳定性。

Description

一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器
技术领域
本发明涉及惯性定位装置领域，具体涉及一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器。
背景技术
冷原子干涉陀螺仪是基于冷原子干涉原理，可同时敏感一维角速度和一维线加速度，为了实现同时测量角速度和线加速度信息，采用双原子团对抛方案。利用两团冷原子左右对抛，在三个拉曼激光脉冲作用下形成两个干涉回路。
左边抛射原子所产生的干涉相位：
ΔΦL＝KeffaZT2+2KeffΩXvYT2……(1)
右边抛射原子所产生的干涉相位：
ΔΦR＝KeffaZT2-2KeffΩXvYT2……(2)
基于上述公式(1)和(2)，可以得到该原子干涉陀螺仪测量的线加速度和角速度为：
Figure BDA0003404626410000011
上述式中，Keff为激光波矢，aZ为Z轴方向线加速度，T为原子相干时间，ΩX为X轴方向角速度，VY为原子团沿Y轴抛射速度。
原子陀螺因具有更高的理论测量精度而日趋成为惯性导航领域的主流发展方向。目前国内外研制的原子陀螺普遍存在体积大，光路结构复杂，系统稳定性差等缺点，美国圣地亚国家实验室研制的小型化原子干涉陀螺仪虽然实现了敏感单元的小型化，但应用了大量的光纤调节装置，无法保证长期稳定性，工程化水平较差，因此冷原子干涉陀螺仪的集成化研制是实现工程化应用的迫切需求和重要的发展方向。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，以解决现有技术中冷原子干涉陀螺仪设备中应用了大量的光纤调节装置，无法保证长期稳定性，集成化程度差的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，包括真空系统、光路系统和磁场系统；
所述真空系统包括为玻璃真空腔体，围绕所述玻璃真空腔体布置有原子对抛干涉系统，所述原子对抛干涉系统包含对称分布于玻璃真空腔体两侧的两个MOT，每个MOT均由六束囚禁光和一对反亥姆霍兹线圈组成，反亥姆霍兹线圈产生的磁场零点与六束囚禁光的光束交点重合，所述MOT的中心在工作状态形成原子团；两个MOT中的两个原子团相向抛射形成对抛干涉路径；
所述光路系统固定于所述玻璃真空腔体周围，其包括原子冷却探测光路、态制备光路、拉曼光路和两组荧光收集装置，所述原子冷却探测光路用于产生囚禁两个原子团的12束囚禁光和探测光，12束囚禁光由三束入射囚禁激光经空间偏振分光形成，所述探测光由其中一组空间光路跳频形成；所述态制备光路用于产生态制备光，所述态制备光由一束入射态制备激光经空间偏振分光形成；所述拉曼光路用于产生拉曼光，所述拉曼光由一束入射拉曼激光经空间偏振分光形成；两组所述荧光收集装置分别用于收集两个原子团的荧光；
所述磁场系统包括布置于所述玻璃真空腔体的六个面的两对反亥姆霍兹线圈和三对亥姆霍兹线圈，两对反亥姆霍兹线圈用于形成MOT磁场，三对亥姆霍兹线圈用于形成与拉曼光方向一致的偏置磁场。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
本申请提供的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其采用全固化的空间光路，减少光纤的使用数量，有效提升整体稳定性，通过三束入射囚禁激光经空间偏振分光形成12束囚禁光，以作为两个MOT所需的囚禁光，有效降低原子温度，提升有效原子数目，提升原子干涉效率；其利用囚禁激光跳频方式产生探测光，有效减少了入射激光数量，整个装置设计紧凑、合理，装调方便，较大地提高了系统工作的效率和稳定性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述原子冷却探测光路包括第一准直器和两个第一反射镜，其中第一束入射囚禁激光经第一准直器准直后分光成两束平行的第一囚禁光，两束第一囚禁光从MOT的同一侧分别射入两个所述原子团，两个第一反射镜分别垂直于两束第一囚禁光安装于所述MOT的另一侧，使两束第一囚禁光形成对射光束。
进一步的，所述原子冷却探测光路还包括第二准直器和第三准直器；
第二束入射囚禁激光经第二准直器准直后分光成四束第二囚禁光，四束第二囚禁光以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团，每一组第二囚禁光形成的平面与第一囚禁光正交，每一组的两个第二囚禁光正交；
第三束入射囚禁激光经第三准直器准直后分光成四束第三囚禁光，四束第三囚禁光以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团，每一组第三囚禁光形成的平面与第一囚禁光正交，每一组的两个第三囚禁光正交；每一束第二囚禁光均有且仅有一束第三囚禁光与之对射。
进一步的，所述态制备光路包括第四准直器和第二反射镜，所述入射态制备激光经第四准直器后偏振分束形成两束平行的态制备光，两束平行的态制备光通过对抛干涉路径并经第二反射镜反射形成两组对射光路，所述态制备光的对射光路与所述第一囚禁光的对射光路位于同一平面内。
进一步的，所述拉曼光路包括第五准直器和复合反射镜，所述入射拉曼激光经第五准直器后偏振分束形成三束平行的拉曼光，三束平行的拉曼光贯穿对抛干涉路径并通过复合反射镜垂直反射形成对射光束。
进一步的，所述拉曼光的对射光路在位于第二囚禁光和第三囚禁光形成的囚禁光平面内，所述拉曼光方向与玻璃真空腔体的法线成3°夹角。
进一步的，每一所述荧光收集装置包括荧光镜头和APD模块，两个所述荧光镜头的接收端分别对准两个原子团位置，所述荧光镜头和APD模块之间通过多模光纤连接，以用于将荧光镜头收集的原子荧光传输到APD模块的感光面上。
进一步的，两个所述荧光镜头的接收端相互背离设置，以减少另一原子团对待探测原子团的荧光信号串扰。
进一步的，所述真空系统还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述玻璃真空腔体连接，以保持所述玻璃真空腔体内真空度不大于10-7Pa·m3/s的真空环境。
进一步的，所述光路系统还包括若干PBS和1/2波片，以用于偏振分光。
附图说明
图1为本发明实施例一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器的正视结构示意图；
图2为图1俯视视角的光路系统示意图；
图3为图1俯视视角的荧光收集装置分布示意图；
图4为图1的左视视角示意图。
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。
可以理解，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。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
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。
如图1所示，本申请提供了一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，包括真空系统、光路系统和磁场系统。
所述真空系统包括为玻璃真空腔体11，围绕所述玻璃真空腔体11布置有原子对抛干涉系统，所述原子对抛干涉系统包含对称分布于玻璃真空腔体内的两个MOT(MagnetoOptical Trap，即磁光阱)，每个MOT均由六束囚禁光和一对反亥姆霍兹线圈13组成，反亥姆霍兹线圈产生的磁场零点与六束囚禁光的光束交点重合。
本申请实施例中，为了便于描述，分别称其为第一MOT12和第二MOT13，第一MOT12的中心在工作状态形成第一原子团121，第二MOT13的中心在工作状态形成第二原子团122，第一原子团121和第二原子团122相向抛射形成对抛干涉路径。
所述光路系统2固定于所述玻璃真空腔体1周围，其包括原子冷却探测光路、态制备光路、拉曼光路和两组荧光收集装置。
其中，所述原子冷却探测光路用于产生囚禁两个原子团的12束囚禁光和探测光，12束囚禁光由三束入射囚禁激光经空间偏振分光形成，所述探测光由其中一组空间光路跳频形成。
具体的，所述原子冷却探测光路包括第一准直器211、第二准直器213和第三准直器214和两个第一反射镜212。
其中第一束入射囚禁激光由一根光纤入射，经第一准直器211准直后偏振分光成两束平行的第一囚禁光Lq1，两束第一囚禁光从MOT(第一MOT12和第二MOT13)的同一侧分别射入两个原子团(第一原子团121和第二原子团122)，两个第一反射镜212分别垂直于两束第一囚禁光Lq1安装于所述MOT(第一MOT12和第二MOT13)的另一侧，使两束第一囚禁光Lq1形成对射光束。
第二束入射囚禁激光由一根光纤入射，经第二准直器213准直后偏振分光成四束第二囚禁光Lq2，四束第二囚禁光Lq2以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团(第一原子团121和第二原子团122)，每一组第二囚禁光Lq2形成的平面与第一囚禁光Lq1正交，每一组的两个第二囚禁光Lq2正交。
第三束入射囚禁激光由一根光纤入射，经第三准直器214准直后偏振分光成四束第三囚禁光Lq3，四束第三囚禁光Lq3以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团(第一原子团121和第二原子团122)，每一组第三囚禁光Lq3形成的平面与第一囚禁光Lq1正交，每一组的两个第三囚禁光Lq3正交；且每一束第二囚禁光Lq2均有且仅有一束第三囚禁光Lq3与之对射。
这样，对于每一个原子团(第一原子团121或第二原子团122)而言，第一囚禁光Lq1的对射光路，一组第二囚禁光Lq2和一组第三囚禁光Lq3就构成了MOT(第一MOT12或第二MOT13)的六束空间正交囚禁光，每组空间正交光束的交点与对应的反亥姆霍兹线圈产生磁场零点重合，这样就在玻璃真空腔体1的两端形成第一MOT12和第二MOT13，且12束冷却囚禁光只需要3根入射光纤即可实现，大大减少了入射光纤。
其中，囚禁光和探测光的激光频率相差12MHz，通过AOM(声光调制器)移频实现将冷却光变为探测光。
所述态制备光路用于产生态制备光Lt，所述态制备光Lt由一束入射态制备激光经空间偏振分光形成。
具体的，所述态制备光路包括第四准直器221和第二反射镜222，所述入射态制备激光经第四准直器221后偏振分束形成两束平行的态制备光Lt，两束平行的态制备光Lt通过对抛干涉路径并经第二反射镜222反射形成两组对射光路，所述态制备光Lt的对射光路与所述第一囚禁光Lq1的对射光路位于同一平面内。
所述拉曼光路用于产生拉曼光Lr，所述拉曼光Lr由一束入射拉曼激光经空间偏振分光形成。
具体的，所述拉曼光路包括第五准直器231和复合反射镜232，所述入射拉曼激光经第五准直器231后偏振分束形成三束平行的拉曼光Lr，三束平行的拉曼光Lr贯穿对抛干涉路径并通过复合反射镜232垂直反射形成对射光束。
其中，复合反射镜232由1/4波片与平面反射镜组成，该组合使得反射光具有与入射光垂直的激光偏振方向。
拉曼光Lr的对射光路在位于第二囚禁光Lq2和第三囚禁光Lq3形成的囚禁光平面内，并与玻璃腔体法线成3°夹角，为激光与原子作用过程中产生多普勒频移。
其中，本申请中的光路系统包括若干固定安装于玻璃真空腔体周围的PBS(偏振分光棱镜)和1/2波片，用于入射激光的偏振分光，进而实现光路的固化，保证光路系统稳定性。
两组所述荧光收集装置包括第一荧光收集装置和第二荧光收集装置，以分别用于收集两个原子团(第一原子团121或第二原子团122)的荧光。。
具体的，第一荧光收集装置包括第一荧光镜头241和第一APD(雪崩式光电二极管)模块242，第一荧光镜头241对准第一原子团121，第二荧光收集装置包括第二荧光镜头243和第二APD模块244，第二荧光镜头243对准第二原子团122。
其中，第一荧光镜头241和第一APD模块242之间以及第二荧光镜头243和第二APD模块244均通过多模光纤连接，以用于将荧光镜头收集的原子荧光传输到APD模块的感光端面上。
在本实施例中，为了减少另一原子团对待探测原子团的荧光信号串扰，第一荧光镜头241和第二荧光镜头243的光接收端相互背离设置。
所述磁场系统包括布置于所述玻璃真空腔体11的六个面的两对反亥姆霍兹线圈13和三对亥姆霍兹线圈41，两对反亥姆霍兹线圈用于形成MOT磁场，三对亥姆霍兹线圈用于形成与拉曼光Lr方向一致的均匀偏置磁场。
所述真空系统还包括抽真空装置14，所述抽真空装置14与所述玻璃真空腔体11连接，以保持所述玻璃真空腔体11内真空度不大于10-7Pa·m3/s的真空环境。
本实施例提供的一种集成化的冷原子干涉陀螺仪敏感器设计方案，采用全固化的空间光路，大量减少光纤的使用数量，有效提升系统稳定性；利用空间分束实现准直的冷却囚禁光，有效降低原子温度，提升有效原子数目，提升原子干涉效率；并利用囚禁光跳频方式产生探测光，有效减少了入射激光数量；并且光路系统、磁场系统集成化设计以及真空系统独立拆装设计，提升系统安装及调试灵活性；荧光收集装置的荧光镜头背向设计，有效降低两团原子荧光串扰；整个系统设计紧凑、合理，装调方便，较大地提高了系统工作的效率和稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，包括真空系统、光路系统和磁场系统；
所述真空系统包括为玻璃真空腔体，围绕所述玻璃真空腔体布置有原子对抛干涉系统，所述原子对抛干涉系统包含对称分布于玻璃真空腔体两侧的两个MOT，每个MOT均由六束囚禁光和一对反亥姆霍兹线圈组成，反亥姆霍兹线圈产生的磁场零点与六束囚禁光的光束交点重合，所述MOT的中心在工作状态形成原子团；两个MOT中的两个原子团相向抛射形成对抛干涉路径；
所述光路系统固定于所述玻璃真空腔体周围，其包括原子冷却探测光路、态制备光路、拉曼光路和两组荧光收集装置，所述原子冷却探测光路用于产生囚禁两个原子团的12束囚禁光和探测光，12束囚禁光由三束入射囚禁激光经空间偏振分光形成，所述探测光由其中一组空间光路跳频形成；所述态制备光路用于产生态制备光，所述态制备光由一束入射态制备激光经空间偏振分光形成；所述拉曼光路用于产生拉曼光，所述拉曼光由一束入射拉曼激光经空间偏振分光形成；两组所述荧光收集装置分别用于收集两个原子团的荧光；
所述磁场系统包括布置于所述玻璃真空腔体的六个面的两对反亥姆霍兹线圈和三对亥姆霍兹线圈，两对反亥姆霍兹线圈用于形成MOT磁场，三对亥姆霍兹线圈用于形成与拉曼光方向一致的偏置磁场；
所述原子冷却探测光路包括第一准直器和两个第一反射镜，其中第一束入射囚禁激光经第一准直器准直后分光成两束平行的第一囚禁光，两束第一囚禁光从MOT的同一侧分别射入两个所述原子团，两个第一反射镜分别垂直于两束第一囚禁光安装于所述MOT的另一侧，使两束第一囚禁光形成对射光束；
所述原子冷却探测光路还包括第二准直器和第三准直器；
第二束入射囚禁激光经第二准直器准直后分光成四束第二囚禁光，四束第二囚禁光以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团，每一组第二囚禁光形成的平面与第一囚禁光正交，每一组的两个第二囚禁光正交；
第三束入射囚禁激光经第三准直器准直后分光成四束第三囚禁光，四束第三囚禁光以两两组合的形式分成两组并射入两个所述原子团，每一组第三囚禁光形成的平面与第一囚禁光正交，每一组的两个第三囚禁光正交；每一束第二囚禁光均有且仅有一束第三囚禁光与之对射；
所述态制备光路包括第四准直器和第二反射镜，所述入射态制备激光经第四准直器后偏振分束形成两束平行的态制备光，两束平行的态制备光通过对抛干涉路径并经第二反射镜反射形成两组对射光路，所述态制备光的对射光路与所述第一囚禁光的对射光路位于同一平面内；
所述拉曼光路包括第五准直器和复合反射镜，所述入射拉曼激光经第五准直器后偏振分束形成三束平行的拉曼光，三束平行的拉曼光贯穿对抛干涉路径并通过复合反射镜垂直反射形成对射光束。
2.根据权利要求1所述的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，所述拉曼光的对射光路在位于第二囚禁光和第三囚禁光形成的囚禁光平面内，所述拉曼光方向与玻璃真空腔体的法线成3°夹角。
3.根据权利要求1所述的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，每一所述荧光收集装置包括荧光镜头和APD模块，两个所述荧光镜头的接收端分别对准两个原子团位置，所述荧光镜头和APD模块之间通过多模光纤连接，以用于将荧光镜头收集的原子荧光传输到APD模块的感光面上。
4.根据权利要求3所述的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，两个所述荧光镜头的接收端相互背离设置，以减少另一原子团对待探测原子团的荧光信号串扰。
5.根据权利要求1所述的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，所述真空系统还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述玻璃真空腔体连接，以保持所述玻璃真空腔体内真空度不大于10-7Pa·m3/s的真空环境。
6.根据权利要求1所述的集成化式冷原子干涉陀螺仪敏感器，其特征在于，所述光路系统还包括若干PBS和1/2波片，以用于偏振分光。
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