CN115727829A - 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 - Google Patents
抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115727829A CN115727829A CN202211386445.9A CN202211386445A CN115727829A CN 115727829 A CN115727829 A CN 115727829A CN 202211386445 A CN202211386445 A CN 202211386445A CN 115727829 A CN115727829 A CN 115727829A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- alkali metal
- wave plate
- magnetic field
- polarization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 106
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 104
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 title abstract description 16
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 58
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 54
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 44
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 4
- 230000005426 magnetic field effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 41
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 5
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统，包括：抽运光激光器发出的抽运光经过第一格兰泰勒棱镜进入普克尔盒，第一格兰泰勒棱镜对抽运光进行纯化，第一信号发生器产生交流电压和电流信号，高压放大器用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒在交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制；抽运光经过第一四分之一波片进入原子气室，第一四分之一波片将线偏振抽运光转变为在两个圆偏振态σ±之间切换的圆偏振抽运光，圆偏振抽运光对原子气室内的碱金属原子进行极化以抑制碱金属极化磁场影响。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中进动频移系统误差影响核磁共振陀螺精度的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及量子传感技术领域，尤其涉及一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统。
背景技术
惯性导航是目前唯一的全自主、实时、连续、不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、无时间、无地域、无环境限制的导航技术，是各类精确运动载体必备的导航手段，在航空、航天、航海、测绘、交通等领域有着重要的应用价值。特别是在应对GPS拒止的情形下具有重要的战略意义。核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)具有精度高、体积小、功耗低、成本低等优点，已成为目前世界上达到导航级精度中体积最小的陀螺，是新一代陀螺的发展方向，将为未来小型化便携式惯性导航系统带来革命性的发展。
核磁共振陀螺仪基于自旋交换光泵浦原理工作。核磁共振陀螺的工作物质包含碱金属原子蒸汽和惰性气体，通过极化激光极化碱金属原子电子自旋；然后碱金属原子与惰性气体原子通过自旋交换碰撞，实现对惰性气体原子核自旋的极化；最后使用极化后的核自旋在磁场下的进动来实现对转动角速率的测量。通常的核磁共振陀螺仪为了消除进动磁场噪声的影响，会用两种惰性气体的核自旋作为工作物质，通过同时测量两种核自旋的拉莫尔进动，用其中之一的核自旋进行进动磁场锁定，用剩下的一个核自旋进行转动角速率的测量，即双核自旋差分方案，从而实现测量精度的提升。
但是研究发现，在这样的双核自旋体系的核磁共振陀螺中，碱金属原子极化纵向磁场对于不同原子核自旋的作用不同，带来了严重的系统误差。不同惰性气体原子的与碱金属原子的纵向自旋交换相互作用场并不相同，因此不能以与经典磁场关联相同的方式去除，最终导致核自旋进动频率的测量中产生一频移误差项：
这一误差项影响了陀螺核磁共振频率信号的准确性，是目前制约核磁共振陀螺双核自旋差分方案性能提升的最主要物理机制之一。在上述公式中，κa、κb、γb、bbs分别为与核自旋a与b相关的物理常数。Sz是碱金属的纵向极化强度，是影响这一误差项的唯一变量。Sz与碱金属原子极化率相关，为了抑制这种误差的影响，通常的做法是对核磁共振陀螺内部环境进行高精度的稳定控制，通过高精度控温、高精度电流源、高精度磁补偿实现核磁共振陀螺内部环境的稳定，减小Sz的波动，这样做可以减小误差项δ的波动，从而减小其带来的影响，但本质上并没有消除δ项的影响，不能有效抑制这种误差。
发明内容
本发明提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统，能够解决现有技术中因碱金属原子纵向极化磁场对不同核自旋影响不同导致的进动频移这一系统误差，从而影响核磁共振陀螺精度的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，抑制碱金属极化磁场影响的操控方法包括：在抽运光激光器和原子气室之间依次设置第一格兰泰勒棱镜、普克尔盒和第一四分之一波片；设置第一信号发生器和高压放大器，第一信号发生器通过高压放大器与普克尔盒连接；抽运光激光器发出的抽运光经过第一格兰泰勒棱镜进入普克尔盒，第一格兰泰勒棱镜对抽运光进行纯化以产生水平线偏振光，第一信号发生器产生交流电压和电流信号，高压放大器用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒在高压放大器输出的交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制；激光偏振调制后的抽运光经过第一四分之一波片进入原子气室，第一四分之一波片将线偏振抽运光转变为在两个圆偏振态σ±之间切换的圆偏振抽运光，圆偏振抽运光对原子气室内的碱金属原子进行极化以抑制碱金属极化磁场影响。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：设置第二四分之一波片和第一反射镜，第一反射镜通过第二四分之一波片与原子气室连接，从原子气室透出的抽运光经过第二四分之一波片进入第一反射镜，经第一反射镜反射后经第二四分之一波片反射回原子气室对碱金属原子进行极化。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：探测光激光器发出探测光，探测光依次经过第一二分之一波片和第二格兰泰勒棱镜进入原子气室；从原子气室透出的探测光经过第二反射镜、第二二分之一波片和偏振分束器后分别进入第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器探测获取检测光的第一光强，第二光电探测器探测获取检测光的第二光强；数据采集与处理系统分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接，数据采集与处理系统根据第一光强和第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：由第二信号发生器在y方向向磁线圈施加交流电流和电压，由恒流源在z方向向磁线圈施加恒定直流电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统使用如上所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法抑制碱金属极化磁场影响。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统包括抽运光激光器、第一格兰泰勒棱镜、普克尔盒、第一四分之一波片、原子气室、第一信号发生器和高压放大器，抽运光激光器用于输出抽运光，第一格兰泰勒棱镜用于纯化抽运光以产生水平线偏振光，第二四分之一波片用于改变抽运光的激光偏振，第一信号发生器用于产生交流电压和电流信号，高压放大器用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒用于在高压放大器输出的交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括第二四分之一波片和第一反射镜，第二四分之一波片用于改变激光偏振，第一反射镜用于改变光路走向，从原子气室透出的抽运光经过第二四分之一波片进入反射镜，经反射镜反射后经第二四分之一波片反射回原子气室对碱金属原子进行极化。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括探测光激光器、第一二分之一波片、第二格兰泰勒棱镜、第二反射镜、第二二分之一波片、偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集与处理系统，探测光激光器用于输出检测光，第一二分之一波片和第二二分之一波片均用于改变激光偏振，第二格兰泰勒棱镜用于纯化述检测光以产生水平线偏振光，第二反射镜用于改变光路走向，偏振分束器用于对探测光进行分束，第一光电探测器用于探测获取检测光的第一光强，第二光电探测器用于探测获取检测光的第二光强，数据采集与处理系统用于根据第一光强和第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括磁线圈和磁屏蔽装置，磁线圈和磁屏蔽装置均设置在原子气室的外部，磁线圈用于向原子气室施加磁场，磁屏蔽装置用于屏蔽外部磁场干扰。
进一步地，抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括第二信号发生器和恒流源，恒流源用于在z方向向磁线圈施加以恒定直流电流，第二信号发生器用于在y方向向磁线圈施加交流电流和电压。
应用本发明的技术方案，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，该方法通过设置普克尔盒，利用普克尔盒对驱动激光进行偏振调制，使驱动激光在σ±之间进行切换，利用偏振调制后的驱动光对碱金属原子进行极化，通过碱金属原子自旋调制的方式将Sz的时间平均保持为0，从而实现将误差频移δ消除，有效抑制了这种误差，提升核磁共振陀螺精度。因此，本发明所提供的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法与现有技术相比，可以实现对碱金属原子自旋极化的快速调制，调制频率调谐可控；可以消除碱金属原子纵向极化对于核磁共振信号频移误差的影响，以实现更高精度的核磁共振陀螺。此外，基于普克尔盒的核磁共振陀螺系统具有体积小、原理简单、调制速率快等优点，有助于提升核磁共振陀螺的测量灵敏度以及核磁共振陀螺的仪器化和小型化。
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抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、抽运光激光器；20、第一格兰泰勒棱镜；30、普克尔盒；40、第一四分之一波片；50、原子气室；60、第一信号发生器；70、高压放大器；80、第二四分之一波片；90、第一反射镜；100、探测光激光器；110、第一二分之一波片；120、第二格兰泰勒棱镜；130、第二反射镜；140、第二二分之一波片；150、偏振分束器；160、第一光电探测器；170、第二光电探测器；180、数据采集与处理系统；190、磁线圈；200、磁屏蔽装置；210、第二信号发生器；220、恒流源。
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抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，该抑制碱金属极化磁场影响的操控方法包括：在抽运光激光器10和原子气室50之间依次设置第一格兰泰勒棱镜20、普克尔盒30和第一四分之一波片40；设置第一信号发生器60和高压放大器70，第一信号发生器60通过高压放大器70与普克尔盒30连接；抽运光激光器10发出的抽运光经过第一格兰泰勒棱镜20进入普克尔盒30，第一格兰泰勒棱镜20对抽运光进行纯化以产生水平线偏振光，第一信号发生器60产生交流电压和电流信号，高压放大器70用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒30在高压放大器70输出的交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制；激光偏振调制后的抽运光经过第一四分之一波片40进入原子气室50，第一四分之一波片40将线偏振抽运光转变为在两个圆偏振态σ±之间切换的圆偏振抽运光，圆偏振抽运光对原子气室50内的碱金属原子进行极化以抑制碱金属极化磁场影响。
应用此种配置方式，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，该方法通过设置普克尔盒，利用普克尔盒对驱动激光进行偏振调制，使驱动激光在σ±之间进行切换，利用偏振调制后的驱动光对碱金属原子进行极化，通过碱金属原子自旋调制的方式将Sz的时间平均保持为0，从而实现将误差频移δ消除，有效抑制了这种误差，提升核磁共振陀螺精度。因此，本发明所提供的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法与现有技术相比，可以实现对碱金属原子自旋极化的快速调制，调制频率调谐可控；可以消除碱金属原子纵向极化对于核磁共振信号频移误差的影响，以实现更高精度的核磁共振陀螺。此外，基于普克尔盒的核磁共振陀螺系统具有体积小、原理简单、调制速率快等优点，有助于提升核磁共振陀螺的测量灵敏度以及核磁共振陀螺的仪器化和小型化。具体地，该操控方法适用于核磁共振陀螺、原子自旋陀螺等。
进一步地，在本发明中，为了进一步地减小原子气室内光场不均匀度，从而提升陀螺精度，可将抑制碱金属极化磁场影响的操控方法配置为还包括：设置第二四分之一波片80和第一反射镜90，第一反射镜90通过第二四分之一波片80与原子气室50连接，从原子气室50透出的抽运光经过第二四分之一波片80进入第一反射镜90，经第一反射镜90反射后经第二四分之一波片80反射回原子气室50对碱金属原子进行极化。
在此种配置方式下，通过反射镜加四分之一波片的方式极化光，有效保证了反射光偏振与入射光偏振相反且纯度较高，反射光再次进入气室有效减小了气室内光场不均匀度，从而提升了陀螺精度。
进一步地，在本发明中，为了获取核磁共振陀螺陀螺的角速率信息，可将抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：探测光激光器100发出探测光，探测光依次经过第一二分之一波片110和第二格兰泰勒棱镜120进入原子气室50；从原子气室50透出的探测光经过第二反射镜130、第二二分之一波片140和偏振分束器150后分别进入第一光电探测器160和第二光电探测器170，第一光电探测器160探测获取检测光的第一光强，第二光电探测器170探测获取检测光的第二光强；数据采集与处理系统180分别与第一光电探测器160和第二光电探测器170连接，数据采集与处理系统180根据第一光强和第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
此外，在本发明中，抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：由第二信号发生器210在y方向向磁线圈190施加交流电流和电压，由恒流源220在z方向向磁线圈190施加恒定直流电流。
在此种配置方式下，通过第二信号发生器210在y方向向磁线圈190施加交流电流和电压，通过恒流源220在z方向向磁线圈190施加恒定直流电流，利用装置内的磁线圈对惰性气体核自旋进行横向激励，通过检测光检测核自旋进动信号，通过进动信号频率的检测实现对角速率的测量。
根据本发明的另一方面，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，该抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统使用如上所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法抑制碱金属极化磁场影响。
应用此种配置方式，提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，该系统通过设置普克尔盒，利用普克尔盒对驱动激光进行偏振调制，使驱动激光在σ±之间进行切换，利用偏振调制后的驱动光对碱金属原子进行极化，通过碱金属原子自旋调制的方式将Sz的时间平均保持为0，从而实现将误差频移δ消除，有效抑制了这种误差，提升核磁共振陀螺精度。因此，本发明所提供的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统与现有技术相比，可以实现对碱金属原子自旋极化的快速调制，调制频率调谐可控；可以消除碱金属原子纵向极化对于核磁共振信号频移误差的影响；可以实现更高精度的核磁共振陀螺。此外，基于普克尔盒的核磁共振陀螺系统具有体积小、原理简单、调制速率快等优点，有助于提升核磁共振陀螺的测量灵敏度以及核磁共振陀螺的仪器化和小型化。
进一步地，在本发明中，为了消除碱金属原子纵向极化对于核磁共振信号频移误差的影响，可将抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统配置为包括抽运光激光器10、第一格兰泰勒棱镜20、普克尔盒30、第一四分之一波片40、原子气室50、第一信号发生器60和高压放大器70，抽运光激光器10用于输出抽运光，第一格兰泰勒棱镜20用于纯化抽运光以产生水平线偏振光，第二四分之一波片80用于改变抽运光的激光偏振，第一信号发生器60用于产生交流电压和电流信号，高压放大器70用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒30用于在高压放大器70输出的交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制。
此外，在本发明中，为了进一步地减小原子气室内光场不均匀度，可将抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统配置为还包括第二四分之一波片80和第一反射镜90，第二四分之一波片80用于改变激光偏振，第一反射镜90用于改变光路走向，从原子气室50透出的抽运光经过第二四分之一波片80进入反射镜，经反射镜反射后经第二四分之一波片80反射回原子气室50对碱金属原子进行极化。
进一步地，在本发明中，为了获取核磁共振陀螺的角速率信息，可将抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统配置为还包括探测光激光器100、第一二分之一波片110、第二格兰泰勒棱镜120、第二反射镜130、第二二分之一波片140、偏振分束器150、第一光电探测器160、第二光电探测器170和数据采集与处理系统180，探测光激光器100用于输出检测光，第一二分之一波片110和第二二分之一波片140均用于改变激光偏振，第二格兰泰勒棱镜120用于纯化述检测光以产生水平线偏振光，第二反射镜130用于改变光路走向，偏振分束器150用于对探测光进行分束，第一光电探测器160用于探测获取检测光的第一光强，第二光电探测器170用于探测获取检测光的第二光强，数据采集与处理系统180用于根据第一光强和第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
此外，在本发明中，为了避免外界磁干扰影像核磁共振陀螺的测量精度，可将抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统配置为还包括磁线圈190和磁屏蔽装置200，磁线圈190和磁屏蔽装置200均设置在原子气室50的外部，磁线圈190用于向原子气室50施加磁场，磁屏蔽装置200用于屏蔽外部磁场干扰。
进一步地，在本发明中，为了对原子气室施加横向激励，可将抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统配置为还包括第二信号发生器210和恒流源220，恒流源220用于在z方向向磁线圈190施加以恒定直流电流，第二信号发生器210用于在y方向向磁线圈190施加交流电流和电压。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明所提供的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法和系统，该抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统包括抽运光激光器10、第一格兰泰勒棱镜20、普克尔盒30、第一四分之一波片40、原子气室50、第一信号发生器60、高压放大器70、第二四分之一波片80、第一反射镜90、探测光激光器100、第一二分之一波片110、第二格兰泰勒棱镜120、第二反射镜130、第二二分之一波片140、偏振分束器150、第一光电探测器160、第二光电探测器170、数据采集与处理系统180、磁线圈190、磁屏蔽装置200、第二信号发生器210和恒流源220，抽运光激光器10用于输出抽运光，第一格兰泰勒棱镜20用于纯化抽运光以产生水平线偏振光，第二四分之一波片80用于改变抽运光的激光偏振，第一信号发生器60用于产生交流电压和电流信号，高压放大器70用于对交流电压和电流信号进行信号放大，普克尔盒30用于在高压放大器70输出的交流电压和电流信号的驱动下对水平线偏振光进行激光偏振调制。第二四分之一波片80用于改变激光偏振，第一反射镜90用于改变光路走向，从原子气室50透出的抽运光经过第二四分之一波片80进入反射镜，经反射镜反射后经第二四分之一波片80反射回原子气室50对碱金属原子进行极化。探测光激光器100用于输出检测光，第一二分之一波片110和第二二分之一波片140均用于改变激光偏振，第二格兰泰勒棱镜120用于纯化述检测光以产生水平线偏振光，第二反射镜130用于改变光路走向，偏振分束器150用于对探测光进行分束，第一光电探测器160用于探测获取检测光的第一光强，第二光电探测器170用于探测获取检测光的第二光强，数据采集与处理系统180用于根据第一光强和第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。磁线圈190和磁屏蔽装置200均设置在原子气室50的外部，磁线圈190用于向原子气室50施加磁场，磁屏蔽装置200用于屏蔽外部磁场干扰。恒流源220用于在z方向向磁线圈190施加以恒定直流电流，第二信号发生器210用于在y方向向磁线圈190施加交流电流和电压。
自旋极化调制的流程具体如下：
由抽运激光器产生的水平线偏振抽运光进入普克尔盒，对普克尔盒内的晶体进行高压方波调制，通过电光效应使得出射普克尔盒的激光偏振随着调制电平的高低在水平线偏振与垂直线偏振之间切换，然后通过第一四分之一波片将线偏振光变为圆偏振光，这样通过第一四分之一波片后的抽运光的偏振会在两个圆偏振态：σ±之间切换，由这样的光通过气室对碱金属原子进行极化，碱金属原子的极化将在进动主磁场正方向与反方向来回切换，从而实现了对原子极化的调制，由于碱金属原子极化在正向与反向来回切换，这使得其极化随时间的平均值为0，即：
<Sz>＝0
由此与Sz成正比的频移误差项δ随时间的平均值也为零，从而可以极大地抑制误差δ的干扰。
普克尔盒基于电光调制原理实现，调制速率可以很容易达到～MHz量级，而调制频率可以由信号发生器产生，可以很容易地实现调制频率的从几Hz到MHz的调谐。因此基于普克尔盒对于碱金属原子自旋进行调制，可以实现高速调制且频率可大范围调谐控制，可操纵性很高。
核磁共振陀螺工作流程具体如下：
由抽运光激光器产生的抽运激光通过格兰泰勒棱镜后，成为x方向水平线偏振光(πx)进入普克尔盒进行偏振调制，经普克尔盒偏振调制后变为x方向(πx)和y方向(πy)偏振来回切换的偏振调制光(πx,y)，经过第一四分之一波片变成极化碱金属原子所需要的圆偏振(σ±)激光射入磁屏蔽装置中的原子气室中，通过与原子气室中的碱金属原子相互作用，实现对它们的极化，激光透过气室后的光经过第二四分之一波片后变为由一反射镜原路回射，由于半波损失变为πy,x调制线偏光，再次经过第二四分之一波片变为
调制圆偏光再次进入原子气室对碱金属原子进行极化，充分减小原子气室内激光的光场梯度，使原子极化更加均匀，可有效提升核磁共振陀螺信号。
为了让核自旋产生进动，由恒流源在z方向线圈施加以恒定电流，产生一大小恒定的直流磁场B，由信号发生器在y方向线圈针对不同核自旋同时施加对应的交流磁场，频率分别为每个核自旋的共振频率，即γB，其中γ为核自旋的旋磁比，不同核自旋有着不同的旋磁比。在交流磁场的作用下，核自旋产生进动，通过核自旋的进动变化最终实现对角速率的测量。
核自旋进动通过检测光探测。从检测光激光器出射的激光束经第一二分之一波片和第二格兰泰勒棱镜后，以y方向的线偏振的状态(πy)下进入磁屏蔽桶射入气室，通过原子气室的透射光经过第二二分之一波片后由偏振分束器(例如，沃拉斯顿棱镜)产生两束偏振方向正交的激光，两束激光的光强I1与I2与经过气室后的法拉第旋转角有关，这两束激光的光强被其后面的光电探测器分别接收，由这两个光电探测器(例如平衡零拍探测器)的信号，可以得到法拉第旋转角：
其中I0＝I1+I2，为两束激光的光强之和。这样就实现了对核自旋体系的探测，将这一信号通过数据采集模块采集到电脑中，对其进行频域、时域的分析，最终可以求解出转动的角速率大小：
其中ωa和ωb分别为由系统采集到的信号进过频域分析得到的两种核自旋的进动频率，γa和γb分别为两种核自旋对应的旋磁比。Ω即为物体转动的角速率。这样就获得了物体转动的角速率信息，从而实现了陀螺的功能。
综上所述，本发明提供了一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，该方法利用普克尔盒对驱动激光进行偏振调制，使驱动激光在σ±之间进行切换，利用偏振调制后的驱动光对碱金属原子进行极化，实现碱金属原子极化的调制；对出射气室的光进行原路回射，再次通过气室对碱金属原子进行极化，减小气室内部的光场梯度；利用装置内的线圈对惰性气体核自旋进行横向激励，通过检测光检测核自旋进动信号，通过进动信号频率的检测实现对角速率的测量。因此，本发明所提供的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法与现有技术相比，可以实现对碱金属原子自旋极化的快速调制，调制频率调谐可控；可以消除碱金属原子纵向极化对于核磁共振信号频移误差的影响；可以实现更高精度的核磁共振陀螺。
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 (10)
1.一种抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的操控方法包括：
在抽运光激光器(10)和原子气室(50)之间依次设置第一格兰泰勒棱镜(20)、普克尔盒(30)和第一四分之一波片(40)；
设置第一信号发生器(60)和高压放大器(70)，所述第一信号发生器(60)通过所述高压放大器(70)与所述普克尔盒(30)连接；
所述抽运光激光器(10)发出的抽运光经过所述第一格兰泰勒棱镜(20)进入所述普克尔盒(30)，所述第一格兰泰勒棱镜(20)对所述抽运光进行纯化以产生水平线偏振光，所述第一信号发生器(60)产生交流电压和电流信号，所述高压放大器(70)用于对所述交流电压和电流信号进行信号放大，所述普克尔盒(30)在所述高压放大器(70)输出的交流电压和电流信号的驱动下对所述水平线偏振光进行激光偏振调制；
激光偏振调制后的所述抽运光经过所述第一四分之一波片(40)进入原子气室(50)，所述第一四分之一波片(40)将线偏振抽运光转变为在两个圆偏振态σ±之间切换的圆偏振抽运光，所述圆偏振抽运光对原子气室(50)内的碱金属原子进行极化以抑制碱金属极化磁场影响。
2.根据权利要求1所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：设置第二四分之一波片(80)和第一反射镜(90)，所述第一反射镜(90)通过所述第二四分之一波片(80)与所述原子气室(50)连接，从所述原子气室(50)透出的抽运光经过所述第二四分之一波片(80)进入所述第一反射镜(90)，经所述第一反射镜(90)反射后经所述第二四分之一波片(80)反射回所述原子气室(50)对碱金属原子进行极化。
3.根据权利要求2所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：
探测光激光器(100)发出探测光，所述探测光依次经过第一二分之一波片(110)和第二格兰泰勒棱镜(120)进入所述原子气室(50)；
从所述原子气室(50)透出的探测光经过第二反射镜(130)、第二二分之一波片(140)和偏振分束器(150)后分别进入第一光电探测器(160)和第二光电探测器(170)，所述第一光电探测器(160)探测获取检测光的第一光强，所述第二光电探测器(170)探测获取检测光的第二光强；
数据采集与处理系统(180)分别与所述第一光电探测器(160)和所述第二光电探测器(170)连接，所述数据采集与处理系统(180)根据所述第一光强和所述第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
4.根据权利要求3所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的操控方法还包括：由第二信号发生器(210)在y方向向磁线圈(190)施加交流电流和电压，由恒流源(220)在z方向向磁线圈(190)施加恒定直流电流。
5.一种抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统使用如权利要求1至4中任一项所述的抑制碱金属极化磁场影响的操控方法抑制碱金属极化磁场影响。
6.根据权利要求5所述的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统包括抽运光激光器(10)、第一格兰泰勒棱镜(20)、普克尔盒(30)、第一四分之一波片(40)、原子气室(50)、第一信号发生器(60)和高压放大器(70)，所述抽运光激光器(10)用于输出抽运光，所述第一格兰泰勒棱镜(20)用于纯化所述抽运光以产生水平线偏振光，所述第二四分之一波片(80)用于改变所述抽运光的激光偏振，所述第一信号发生器(60)用于产生交流电压和电流信号，所述高压放大器(70)用于对所述交流电压和电流信号进行信号放大，所述普克尔盒(30)用于在所述高压放大器(70)输出的交流电压和电流信号的驱动下对所述水平线偏振光进行激光偏振调制。
7.根据权利要求6所述的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括第二四分之一波片(80)和第一反射镜(90)，所述第二四分之一波片(80)用于改变激光偏振，所述第一反射镜(90)用于改变光路走向，从所述原子气室(50)透出的抽运光经过所述第二四分之一波片(80)进入所述反射镜，经所述反射镜反射后经所述第二四分之一波片(80)反射回所述原子气室(50)对碱金属原子进行极化。
8.根据权利要求7所述的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括探测光激光器(100)、第一二分之一波片(110)、第二格兰泰勒棱镜(120)、第二反射镜(130)、第二二分之一波片(140)、偏振分束器(150)、第一光电探测器(160)、第二光电探测器(170)和数据采集与处理系统(180)，所述探测光激光器(100)用于输出检测光，所述第一二分之一波片(110)和所述第二二分之一波片(140)均用于改变激光偏振，所述第二格兰泰勒棱镜(120)用于纯化所述述检测光以产生水平线偏振光，所述第二反射镜(130)用于改变光路走向，所述偏振分束器(150)用于对探测光进行分束，所述第一光电探测器(160)用于探测获取检测光的第一光强，所述第二光电探测器(170)用于探测获取检测光的第二光强，所述数据采集与处理系统(180)用于根据所述第一光强和所述第二光强计算获取核磁共振陀螺的角速率信息。
9.根据权利要求8所述的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括磁线圈(190)和磁屏蔽装置(200)，所述磁线圈(190)和所述磁屏蔽装置(200)均设置在所述原子气室(50)的外部，所述磁线圈(190)用于向所述原子气室(50)施加磁场，所述磁屏蔽装置(200)用于屏蔽外部磁场干扰。
10.根据权利要求8所述的抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统，其特征在于，所述抑制碱金属极化磁场影响的核磁共振陀螺操控系统还包括第二信号发生器(210)和恒流源(220)，所述恒流源(220)用于在z方向向所述磁线圈(190)施加以恒定直流电流，所述第二信号发生器(210)用于在y方向向所述磁线圈(190)施加交流电流和电压。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211386445.9A CN115727829B (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211386445.9A CN115727829B (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115727829A true CN115727829A (zh) | 2023-03-03 |
| CN115727829B CN115727829B (zh) | 2024-09-06 |
Family
ID=85294724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211386445.9A Active CN115727829B (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115727829B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116879813A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-10-13 | 北京自动化控制设备研究所 | 基于原位磁补偿甚低频原子磁强计的信号检测方法及系统 |
| CN117129917A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-11-28 | 北京自动化控制设备研究所 | 基于混合抽运甚低频原子磁强计的甚低频检测方法及系统 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8212556B1 (en) * | 2010-01-12 | 2012-07-03 | Sandia Corporation | Atomic magnetometer |
| WO2013147296A1 (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Optically pumped magnetometer and method of measuring magnetic force |
| CN108490374A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-04 | 北京航空航天大学 | 一种混合光抽运serf原子磁强计装置及其密度比优化方法 |
| CN108693488A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-10-23 | 北京航空航天大学 | 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置 |
| CN112444241A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-03-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪 |
| CN112833870A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 核磁共振陀螺中抑制碱金属原子极化磁场影响的有效方法 |
| CN113075595A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-06 | 北京航空航天大学 | 一种用于serf原子磁场测量装置的极化率补偿与控制装置 |
-
2022
- 2022-11-07 CN CN202211386445.9A patent/CN115727829B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8212556B1 (en) * | 2010-01-12 | 2012-07-03 | Sandia Corporation | Atomic magnetometer |
| WO2013147296A1 (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Optically pumped magnetometer and method of measuring magnetic force |
| CN108490374A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-04 | 北京航空航天大学 | 一种混合光抽运serf原子磁强计装置及其密度比优化方法 |
| CN108693488A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-10-23 | 北京航空航天大学 | 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置 |
| CN112444241A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-03-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪 |
| CN112833870A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 核磁共振陀螺中抑制碱金属原子极化磁场影响的有效方法 |
| CN113075595A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-06 | 北京航空航天大学 | 一种用于serf原子磁场测量装置的极化率补偿与控制装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 尚慧宁;全伟;陈瑶;李洋;李红;: "基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析", 光谱学与光谱分析, no. 02, 15 February 2016 (2016-02-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116879813A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-10-13 | 北京自动化控制设备研究所 | 基于原位磁补偿甚低频原子磁强计的信号检测方法及系统 |
| CN117129917A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-11-28 | 北京自动化控制设备研究所 | 基于混合抽运甚低频原子磁强计的甚低频检测方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115727829B (zh) | 2024-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5854735B2 (ja) | 核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法 | |
| JP5854736B2 (ja) | 核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴イメージング方法 | |
| CN115727829B (zh) | 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统 | |
| CN108287322B (zh) | 一种无响应盲区的原子磁力仪及其测量外磁场的方法 | |
| US10184796B2 (en) | Chip-scale atomic gyroscope | |
| CN109342980A (zh) | 基于椭圆光的单光Mx原子磁力仪 | |
| CN109827559B (zh) | 一种提升原子极化均匀度的核磁共振陀螺仪装置 | |
| CN110672083B (zh) | 一种serf原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法 | |
| CN109738837A (zh) | 一种用于单光束serf原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法 | |
| CN103969604A (zh) | 射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法 | |
| Weis et al. | Magnetic resonance based atomic magnetometers | |
| CN109631959B (zh) | 基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置及方法 | |
| CN110849393A (zh) | 核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及系统 | |
| CN115453430A (zh) | 一种基于光纤eom的单光束nmor原子磁强计 | |
| CN110849343A (zh) | 一种单激光器的核磁共振陀螺仪 | |
| Simpson et al. | An optically pumped nuclear magnetic resonance gyroscope | |
| CN107656220A (zh) | 一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法 | |
| CN113625206A (zh) | 一种动态模式转换原子磁场探测装置 | |
| CN111964658B (zh) | 一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法 | |
| CN112649765A (zh) | 全向磁场测量方法及使用其的测量系统 | |
| CN115790561A (zh) | 一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法 | |
| RU207277U1 (ru) | Ядерный гироскоп | |
| CN112229801B (zh) | 一种测量磁场作用下镱原子团双折射效应的装置及方法 | |
| GB2078972A (en) | Nuclear magnetic resonance detection device | |
| CN116879813B (zh) | 基于原位磁补偿甚低频原子磁强计的信号检测方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |