CN115856727A - 利用双原子气室同时测量转动与磁场的serf系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统及方法,包括:探测激光器、分光棱镜、反射镜、磁场线圈、加热保温装置、磁场测量原子气室、转动测量原子气室、磁场测量1/4λ波片、磁场测量光弹调制器、磁场测量检偏器、磁场测量光电探测器、1转动测量1/4λ波片、转动测量光弹调制器、转动测量检偏器、转动测量光电探测器、采集处理系统、泵浦激光器、扩束透镜组、起偏器、1/4λ波片。本发明可以实现转动和磁场的同时测量。
Description
技术领域
本发明属于量子精密测量技技术领域,涉及一种基于SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free,无自旋交换弛豫)原理的系统及方法,尤其是一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统及方法。
背景技术
SERF原子自旋精密测量技术基于无自旋交换弛豫机制可大幅延长自旋弛豫时间,提高测量精度,在惯性测量、弱磁测量等领域均有着广泛应用前景。基于SERF原理的惯性测量和弱磁测量装置目前均有实现,且具有超高的理论精度,是量子测量领域的重要发展方向。
用于惯性测量的SERF陀螺仪利用原子自旋定轴性来敏感角速度,其工作物质为碱金属原子电子自旋和惰性气体核自旋。SERF磁力仪是利用原子自旋受磁场影响特性来测量弱磁,其工作物质为碱金属原子电子自旋。通常情况下SEEF陀螺仪测量转动信息时需主磁场处于核自旋自补偿点,利用核自旋自补偿效应抑制磁场影响,使陀螺仪只敏感转动信息。SERF磁力仪碱金属原子电子自旋对转动相对不敏感,无法获取转动信息。
目前有部分SERF惯性测量系统包含碱金属原子和惰性气体,在核自旋极化前通过碱金属原子先实现三维磁场测量,通过调整主磁场处于核自旋自补偿点或非自补偿点来使系统间歇性测量转动或磁场,但该类装置无法实现转动及磁场的同时、同步测量。
经检索,未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统及方法,可以实现转动和磁场的同时测量。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的:
一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,包括:探测激光器、分光棱镜、反射镜、磁场线圈、加热保温装置、磁场测量原子气室、转动测量原子气室、磁场测量1/4λ波片、磁场测量光弹调制器、磁场测量检偏器、磁场测量光电探测器、1转动测量1/4λ波片、转动测量光弹调制器、转动测量检偏器、转动测量光电探测器、采集处理系统、泵浦激光器、扩束透镜组、起偏器、1/4λ波片;
其中:所述探测激光器产生激光频率与碱金属原子D2线近失谐,经分光棱镜分为两束线偏振光,一束经转动测量原子气室携带转动信息,另一束经反射镜后入射磁场测量原子气室携带磁场信息,携带不同信息的两束激光分别经过相应的1/4波片、光弹调制器及检偏器,最后注入光电探测器,将转动信息和磁场信息转化为电信号;
所述信号采集处理系统采集转动测量气室内原子自旋敏感的转动信息,同时采集磁场测量气室内的自旋敏感的磁场信息,综合磁场线圈反馈的补偿磁场大小,即可得到环境磁场信息,实现对敏感轴y方向转动和磁场的同步测量。
而且,所述加热保温装置围绕在两个原子气室四周,通过交流电加热方式将两个原子气室(磁场测量原子气室和转动测量原子气室)加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态。
而且,所述磁场线圈为三维亥姆霍兹线圈,环绕在加热保温装置周围,作为为补偿环境磁场并操控原子自旋,通过自旋探测信号判断产生磁场大小,并将补偿磁场大小输入采集处理系统作为磁场测量的一部分。
而且,所述转动测量原子气室内包含碱金属、惰性气体及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向磁场测量原子气室前端。
而且,所述磁场测量原子气室内包含碱金属及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向转动测量原子气室后端。
而且,所述泵浦激光器产生激光束经由透镜组扩束,经起偏器和1/4λ波片产生圆偏振光,泵浦激光频率与碱金属原子D1线共振用于极化原子,先入射转动测量原子气室,再入射磁场测量原子气室。
一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的方法,包括以下步骤:
步骤1、通过交流电加热方式将两个原子气室加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态;探测激光器和泵浦激光器均处于正常工作状态,功率、频率均调节至工作要求;
步骤2、进行三维磁场补偿;
步骤3、撤去交流磁场,补偿并记录此时三维环境磁场信息。
步骤4、在z方向磁场线圈上另施加一磁场Bc,其大小为
使得转动测量气室自旋系统处于核自旋自补偿状态,此时电子自旋在探测光方向极化度可表示为
可利用转动测量气室实现敏感轴为y方向的角速度测量。
步骤5、分别通过采集系统读取y方向磁场和转动实时信息,同时扣除转动测量施加的磁场Bc对磁场测量气室的影响。
而且,所述步骤2的具体方法为:
首先在x、z方向磁场线圈上分别施加频率为ωx、ωz的交流调制磁场,此时磁场探测回路探测到的信号正比于磁场测量气室内探测光方向电子自旋极化度:
解调ωz频率信号,并调节x方向静磁场大小,使得ωz频率信号为0,磁场x方向线圈上施加的静磁场即为x方向环境磁场大小;
同理解调ωx频率信号,并调节z方向静磁场大小使ωx频率信号为0,得到z方向环境磁场大小;
最后调节y方向磁场大小,使得信号偏置为0,即可得到y方向环境磁场大小。
本发明的优点和有益效果:
1、本发明一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统装置,结合SERF原子惯性测量及SERF原子磁测量的优势,通过设计双原子气室实现单装置转动和磁场的同步测量,为原子自旋高性能检测技术提供了更多选择,在惯性导航、环境探测、生物医学等领域有广泛的应用潜力。
2、本发明设有双原子气室系统装置,一个原子气室内为碱金属和惰性气体,用于测量转动,另一个原子气室工作物质为碱金属,用于测量磁场。通过一束泵浦光同时极化两气室原子自旋,并利用两束探测光分别对两气室内原子自旋信号进行检测,实现转动和磁场信息的同步获取,解决单一装置同时测量磁场信息和转动信息的问题,有效提高SERF原子自旋系统多信息检测能力。本发明装置简易,检测灵敏,在多信息综合导航、多物理场环境探测等领域有广泛的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统结构示意图;
附图标记说明:
1-探测激光器、2-分光棱镜、3-反射镜、4-磁场线圈、5-加热保温装置、6-磁场测量原子气室、7-转动测量原子气室、8-磁场测量1/4λ波片、9-磁场测量光弹调制器、10-磁场测量检偏器、11-磁场测量光电探测器、12-转动测量1/4λ波片、13-转动测量光弹调制器、14-转动测量检偏器、15-转动测量光电探测器、16-采集处理系统、17-泵浦激光器、18-扩束透镜组、19-起偏器、20-1/4λ波片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述:
一种基于SERF原理的同时测量转动和磁场的系统,如图1所示,包括:探测激光器、分光棱镜、反射镜、磁场线圈、加热保温装置、磁场测量原子气室、转动测量原子气室、磁场测量1/4λ波片、磁场测量光弹调制器、磁场测量检偏器、磁场测量光电探测器、1转动测量1/4λ波片、转动测量光弹调制器、转动测量检偏器、转动测量光电探测器、采集处理系统、泵浦激光器、扩束透镜组、起偏器、1/4λ波片;
其中:所述探测激光器产生激光频率与碱金属原子D2线近失谐,经分光棱镜分为两束线偏振光,一束经转动测量原子气室携带转动信息,另一束经反射镜后入射磁场测量原子气室携带磁场信息,携带不同信息的两束激光分别经过相应的1/4波片、光弹调制器及检偏器,最后注入光电探测器,将转动信息和磁场信息转化为电信号;
所述信号采集处理系统采集转动测量气室内原子自旋敏感的转动信息,同时采集磁场测量气室内的自旋敏感的磁场信息,综合磁场线圈反馈的补偿磁场大小,即可得到环境磁场信息,实现对敏感轴y方向转动和磁场的同步测量。
所述加热保温装置围绕在两个原子气室四周,通过交流电加热方式将两个原子气室(磁场测量原子气室和转动测量原子气室)加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态。
所述磁场线圈为三维亥姆霍兹线圈,环绕在加热保温装置周围,作为为补偿环境磁场并操控原子自旋,通过自旋探测信号判断产生磁场大小,并将补偿磁场大小输入采集处理系统作为磁场测量的一部分。
所述转动测量原子气室内包含碱金属、惰性气体及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向磁场测量原子气室前端。
所述磁场测量原子气室内包含碱金属及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向转动测量原子气室后端。
所述泵浦激光器产生激光束经由透镜组扩束,经起偏器和1/4λ波片产生圆偏振光,泵浦激光频率与碱金属原子D1线共振用于极化原子,先入射转动测量原子气室,再入射磁场测量原子气室。
一种基于SERF原理的同时测量转动和磁场的方法,包括以下步骤:
步骤1、通过交流电加热方式将两个原子气室加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态;探测激光器和泵浦激光器均处于正常工作状态,功率、频率均调节至工作要求;
步骤2、进行三维磁场补偿:
所述步骤2的具体方法为:
首先在x、z方向磁场线圈上分别施加频率为ωx、ωz的交流调制磁场,此时磁场探测回路探测到的信号正比于磁场测量气室内探测光方向电子自旋极化度:
解调ωz频率信号,并调节x方向静磁场大小,使得ωz频率信号为0,磁场x方向线圈上施加的静磁场即为x方向环境磁场大小;
同理解调ωx频率信号,并调节z方向静磁场大小使ωx频率信号为0,得到z方向环境磁场大小;
最后调节y方向磁场大小,使得信号偏置为0,即可得到y方向环境磁场大小。
步骤3、撤去交流磁场,补偿并记录此时三维环境磁场信息。
步骤4、在z方向磁场线圈上另施加一磁场Bc,其大小为
使得转动测量气室自旋系统处于核自旋自补偿状态,此时电子自旋在探测光方向极化度可表示为
可利用转动测量气室实现敏感轴为y方向的角速度测量。
步骤5、分别通过采集系统读取y方向磁场和转动实时信息,同时扣除转动测量施加的磁场Bc对磁场测量气室的影响。
本发明的工作原理是:
定义泵浦光方向为z方向,探测光方向为x方向,与泵浦、探测光方向垂直的为y方向,且y方向为敏感轴方向。
针对磁场测量气室内碱金属电子自旋,其动力学过程可用Bloch方程组表述为:
式中Pm,e——碱金属原子的电子自旋极化率;
γe——碱金属原子的电子自旋旋磁比;
B——环境磁场;
求得方程稳态解为
这里采用磁场调制方法。首先对x轴磁场和Z轴磁场进行解耦。首先对这两个轴的磁场进行调制,若在x和z方向施加较弱的低频交变磁场,则与环境剩磁叠加后有
式中Bx0——x方向剩余磁场;
ωx——x方向调制磁场频率。
Bz0——z方向剩余磁场;
ωz——z方向调制磁场频率。
则可将电子自旋横向极化率做近似为
从式中可见ωz频率成分与Bx0成正比,ωx频率成分与Bz0成正比。若补偿使得Bx0=0,则ωz频率成分消失;若补偿由Bz0=0,则ωx频率成分消失。若x轴磁场和在z轴磁场都被补偿到极小,近似认为Bx0Bz0≈0,则上式可简化为:
此时光电探测器的输出正比于y轴原位磁场信息,调节y轴磁场使得此直流信号为0,就可以直接补偿y轴磁场。
根据以上论述可知,总结主动磁补偿系统的工作原理为:在x、z轴上分别施加频率为ωx和ωz频率的调制磁场;解调ωz频率信号,得到x轴的原位磁场信息,并对x轴磁场进行补偿;解调ωx频率信号,得到z轴的原位磁场信息,对z轴磁场进行补偿;当完成x轴z轴磁场补偿后,撤除xz方向交流磁场,近似认为光电探测器输出仅为y轴的原位磁场信息,由此再对y轴磁场进行补偿。
而此后,y磁场变化可通过测磁系统探测信号进行分辨,实现实时测量,并通过控制回路将变化磁场进行补偿,即实现以y方向为敏感轴的磁场测量装置。
对于转动测量气室,碱金属电子自旋和惰性气体核自旋满足的Bloch方程形式可表示为:
其中,各参数的物理含义为:
γe(n):碱金属原子的电子自旋(惰性气体原子的核自旋)旋磁比;
Q(Pe):减慢因子,反映碱金属原子中核自旋通过超精细耦合对电子自旋极化的维持作用,与电子自旋的极化率、核自旋的种类相关;
其中
ΔBz=Bz-Bc
Bc为z轴方向核自旋自补偿点;ΔBz为环境剩磁场与自补偿点的差值,通常可进行三维磁补偿使得ΔBz为零。这里需注意z方向自补偿点控制对磁场测量气室的影响,但因自补偿点为固定值,因此磁场测量气室影响也为固定偏差,可通过数据处理扣除。控制泵浦与检测激光,使得光位移L均为零,则上式可进一步简化为
此即表征了转动测量装置测量角速度的基本原理。
本发明的工作过程为:
(1)通过加热保温装置将两气室加热至工作状态,激光器均处于正常工作状态;
(2)通过如上原理所述的磁场调制方法测量并补偿此时三维磁场信息;
(3)撤去交流磁场,则可利用磁场测量气室实现敏感轴为y方向的磁场测量;
(4)控制转动测量气室内处于核自旋自补偿点,则可利用转动测量气室实现敏感轴为y方向的角速度测量。
(5)分别通过采集系统读取y方向磁场和转动实时信息,同时扣除转动测量施加的磁场对磁场测量气室的影响。
本发明的创新之处在于:
(1)本发明利用双原子气室实现了转动和磁场的同时测量,解决单一装置获取多信息问题,有效提高SERF原子测量技术多信息获取能力。
(2)本发明相比传统SERF磁力仪实现了地磁环境下磁场的测量。
(3)本发明装置简易,检测灵敏,可用于SERF原子惯性及磁传感器技术,提高系统信号检测性能。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
Claims (8)
1.一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:包括:探测激光器、分光棱镜、反射镜、磁场线圈、加热保温装置、磁场测量原子气室、转动测量原子气室、磁场测量1/4λ波片、磁场测量光弹调制器、磁场测量检偏器、磁场测量光电探测器、1转动测量1/4λ波片、转动测量光弹调制器、转动测量检偏器、转动测量光电探测器、采集处理系统、泵浦激光器、扩束透镜组、起偏器、1/4λ波片;
其中:所述探测激光器产生激光频率与碱金属原子D2线近失谐,经分光棱镜分为两束线偏振光,一束经转动测量原子气室携带转动信息,另一束经反射镜后入射磁场测量原子气室携带磁场信息,携带不同信息的两束激光分别经过相应的1/4波片、光弹调制器及检偏器,最后注入光电探测器,将转动信息和磁场信息转化为电信号;
所述信号采集处理系统采集转动测量气室内原子自旋敏感的转动信息,同时采集磁场测量气室内的自旋敏感的磁场信息,综合磁场线圈反馈的补偿磁场大小,即可得到环境磁场信息,实现对敏感轴y方向转动和磁场的同步测量。
2.根据权利要求1所述的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:所述加热保温装置围绕在两个原子气室四周,通过交流电加热方式将两个原子气室加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态。
3.根据权利要求1所述的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:所述磁场线圈为三维亥姆霍兹线圈,环绕在加热保温装置周围,作为为补偿环境磁场并操控原子自旋,通过自旋探测信号判断产生磁场大小,并将补偿磁场大小输入采集处理系统作为磁场测量的一部分。
4.根据权利要求1所述的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:所述转动测量原子气室内包含碱金属、惰性气体及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向磁场测量原子气室前端。
5.根据权利要求1所述的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:所述磁场测量原子气室内包含碱金属及缓冲气体,且位于沿泵浦光方向转动测量原子气室后端。
6.根据权利要求1所述的一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的SERF系统,其特征在于:所述泵浦激光器产生激光束经由透镜组扩束,经起偏器和1/4λ波片产生圆偏振光,泵浦激光频率与碱金属原子D1线共振用于极化原子,先入射转动测量原子气室,再入射磁场测量原子气室。
7.一种利用双原子气室同时测量转动与磁场的方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1、通过交流电加热方式将两个原子气室加热至工作温度,气室内部工作物质处于气体状态;探测激光器和泵浦激光器均处于正常工作状态,功率、频率均调节至工作要求;
步骤2、进行三维磁场补偿;
步骤3、撤去交流磁场,补偿并记录此时三维环境磁场信息。
步骤4、在z方向磁场线圈上另施加一磁场Bc,其大小为
使得转动测量气室自旋系统处于核自旋自补偿状态,此时电子自旋在探测光方向极化度可表示为
可利用转动测量气室实现敏感轴为y方向的角速度测量。
步骤5、分别通过采集系统读取y方向磁场和转动实时信息,同时扣除转动测量施加的磁场Bc对磁场测量气室的影响。
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CN118376964A (zh) * | 2024-06-24 | 2024-07-23 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统及方法 |
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