RU201524U1

RU201524U1 - Quantum gyroscope

Info

Publication number: RU201524U1
Application number: RU2020116602U
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Семенов; Сергей Викторович Ермак; Никита Константинович Кулаченков; Александр Николаевич Шевченко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2020-12-21

Abstract

Полезная модель относится к технике квантовых гироскопов с оптической накачкой. Технический результат заключается в устранении погрешности устройства, связанной со световым сдвигом резонансной частоты атомов рабочего вещества. Квантовый гироскоп содержит схему обработки выходного сигнала и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения, первый из которых содержит последовательно расположенные первой источник накачки, камеру поглощения, охваченную первой радиочастотной катушкой и помещенной в центр катушки постоянного магнитного поля, подключенной к блоку питания, а также первый приемный фотодетектор, подключенный к первому усилителю, причем второй оптический тракт содержит последовательно расположенные второй источник накачки и камеру поглощения. В камеру поглощения введены пары щелочного металла, источники накачки выполнены в виде лазеров, настроенных на циклические электродипольные переходы паров щелочного металла, между первым и вторым источниками накачки и камерой поглощения соответственно помещены первый и второй линейный поляризаторы и добавлена охватывающая камеру поглощения вторая радиочастотная катушка, оси первой и второй радиочастотных катушек соответственно ориентированы вдоль второго и первого оптических трактов, перпендикулярно плоскости которых ориентирована ось катушки постоянного магнитного поля, радиочастотные катушки выполнены в виде двух отдельных первой и второй секций, после камеры поглощения во втором оптическом тракте установлен второй фотодетектор, подключенный ко второму усилителю, выход первого усилителя подключен к входу первого делителя частоты, выход второго усилителя через фазовращатель подключен к входу второго делителя частоты, при этом первые выходы первого и второго делителей частоты соответственно подключены к входам первого и второго 90° фазовращателей, к первой и второй секциям первой радиочастотной катушки, и к первому и второму входу схемы обработки выходного сигнала, а вторые выходы первого и второго 90° фазовращателей, соответственно подключены к первой и второй секциям второй радиочастотной катушки.The utility model relates to the technology of optically pumped quantum gyroscopes. The technical result consists in eliminating the error of the device associated with the light shift of the resonant frequency of the atoms of the working substance. The quantum gyroscope contains a circuit for processing the output signal and two mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber, the first of which contains a pump source located in series with the first, an absorption chamber covered by the first radio frequency coil and placed in the center of a constant magnetic field coil connected to a power supply, and also the first receiving photodetector connected to the first amplifier, and the second optical path contains the second pump source and the absorption chamber located in series. Alkali metal vapors are introduced into the absorption chamber, the pump sources are made in the form of lasers tuned to cyclic electric dipole transitions of alkali metal vapors, the first and second linear polarizers are placed between the first and second pump sources and the absorption chamber, respectively, and a second RF coil covering the absorption chamber is added, axes of the first and second radio frequency coils, respectively, are oriented along the second and first optical paths, perpendicular to the plane of which the axis of the constant magnetic field coil is oriented, the radio frequency coils are made in the form of two separate first and second sections, after the absorption chamber in the second optical path, a second photodetector is installed, connected to the second amplifier, the output of the first amplifier is connected to the input of the first frequency divider, the output of the second amplifier through a phase shifter is connected to the input of the second frequency divider, while the first outputs of the first and second frequency dividers correspond to are connected to the inputs of the first and second 90 ° phase shifters, to the first and second sections of the first radio frequency coil, and to the first and second input of the output signal processing circuit, and the second outputs of the first and second 90 ° phase shifters, respectively, are connected to the first and second sections of the second radio frequency coils.

Description

Полезная модель относится к технике квантовых датчиков для измерений скорости вращения несущих конструкций и может быть использована в телекоммуникационных системах инерциальной навигации.The utility model relates to the technique of quantum sensors for measuring the rotational speed of load-bearing structures and can be used in telecommunication systems of inertial navigation.

К аналогам полезной модели относятся самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой. [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637]. Подобное устройство состоит из датчика и усилителя обратной связи. Датчик включает в себя спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, генерирующие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод. Оптическое излучение распространяется под углом по отношению к измеряемому магнитному полю и выполняет одновременно две функции: создание неравновесного распределения атомов по магнитным подуровням и детектирование сигнала радиооптического резонанса. Радиочастотные катушки усиливают полученный сигнал и создают магнитное поле, служащее для возбуждения сигнала радиооптического резонанса.Self-generating steam-alkali devices with optical pumping belong to the analogs of the utility model. [E.B. Alexandrov, A.K. Vershovsky Modern radio-optical methods of quantum magnetometry, UFN. Volume 179, No. 6 pp. 605-637]. Such a device consists of a sensor and a feedback amplifier. The sensor includes a spectral pump lamp, an alkali metal vapor bulb, a polarizing filter, coils that generate an RF magnetic field, and a photodiode. Optical radiation propagates at an angle with respect to the measured magnetic field and simultaneously performs two functions: creating a nonequilibrium distribution of atoms over magnetic sublevels and detecting the radio-optical resonance signal. Radio frequency coils amplify the received signal and create a magnetic field that serves to excite the radio-optical resonance signal.

Недостатком аналога являются сдвиги резонансной частоты, связанные с действием света накачки и асимметрией линии радиооптического резонанса в условиях неразрешенного контура линии поглощения. При этом точность определения резонансного магнитного поля, как правило, не превышает единиц нТл, и обуславливает низкую воспроизводимость показаний от включения к включению даже в идеально стабилизированном поле.The disadvantage of the analog is the shifts of the resonance frequency associated with the action of the pumping light and the asymmetry of the radio-optical resonance line under conditions of an unresolved absorption line profile. At the same time, the accuracy of determining the resonant magnetic field, as a rule, does not exceed units of nT, and determines the low reproducibility of readings from switching on to switching on, even in an ideally stabilized field.

К аналогам полезной модели относятся также квантовый гироскоп, в котором используется эффект спинового обмена между атомами рабочего вещества [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope №7289210 B1 от 19.04.2006]. Аналог содержит камеру поглощения с атомами щелочного металла и трех изотопов ядерных парамагнетиков, источники оптической накачки и детектирования, магнитную систему постоянного и переменного магнитного поля, ориентированных вдоль света накачки, а также приемный фотодетектор, подключенный к компьютерному блоку обработки информации и схеме обратной связи, создающей в зоне размещения камеры поглощения переменное магнитное поле на частотах прецессии ядерных парамагнетиков ω₁, ω₂, ω₃, в которых учитывается поправка, связанная с вращением устройства. Принципиальным недостатком аналога является наличие погрешности измеряемых частот ω₁, ω₂ и ω₃, которая связана с различием эффективного магнитного поля, создаваемого намагниченностью обмена при столкновениях с оптически ориентированными атомами щелочного металла.The analogs of the useful model also include a quantum gyroscope, which uses the effect of spin exchange between the atoms of the working substance [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope No. 7289210 B1 dated 19.04.2006]. The analogue contains an absorption chamber with atoms of an alkali metal and three isotopes of nuclear paramagnets, sources of optical pumping and detection, a magnetic system of constant and variable magnetic fields oriented along the pumping light, as well as a receiving photodetector connected to a computer processing unit and a feedback circuit that creates in the area of the absorption chamber, an alternating magnetic field at the precession frequencies of nuclear paramagnets ω ₁ , ω ₂ , ω ₃ , in which the correction associated with the rotation of the device is taken into account. A fundamental disadvantage of the analogue is the presence of an error in the measured frequencies ω ₁ , ω _2, and ω ₃ , which is associated with the difference in the effective magnetic field created by the exchange magnetization in collisions with optically oriented alkali metal atoms.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является ядерный гироскоп с одной ячейкой, работающий на базе двух спиновых генераторов с оптической ориентацией нечетных изотопов ртути [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101-104].The closest analogue of the claimed utility model is a nuclear gyroscope with one cell, operating on the basis of two spin generators with optical orientation of odd isotopes of mercury [Maleev PI, New types of gyroscopes, Iz-in L .: Shipbuilding, 1971. - P. 160, see p. 101-104].

Квантовый гироскоп, принятый в качестве прототипа [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101, рис. 59], содержит схему обработки выходного сигнала и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения, первый из которых содержит источник накачки, установленный перед камерой поглощения, охваченной радиочастотной катушкой и помещенной в центр катушки постоянного магнитного поля, ось которой совпадает с осью первого оптического тракта, а ось радиочастотной катушки ориентирована перпендикулярно осям первого и второго оптических трактов, причем второй оптический тракт содержит фотодетектор, установленный перед камерой поглощения и подключенный к усилителю обратной связи.Quantum gyroscope, adopted as a prototype [Maleev PI, New types of gyroscopes, Iz-in L .: Sudostroenie, 1971. - S. 160, see p. 101, fig. 59], contains a circuit for processing the output signal and two mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber, the first of which contains a pumping source installed in front of the absorption chamber, covered by a radio frequency coil and placed in the center of a constant magnetic field coil, the axis of which coincides with the axis of the first optical path, and the axis of the radio frequency coil is oriented perpendicular to the axes of the first and second optical paths, and the second optical path contains a photodetector installed in front of the absorption chamber and connected to the feedback amplifier.

Измерение частот ω₁ и ω₂ и фаз ϕ₁ и ϕ₂ прецессии магнитных моментов двух ансамблей ориентированных ядер ртути осуществляется путем регистрации амплитудно-модулированного излучения, проходящего через камеру поглощения вдоль луча опроса второго оптического тракта. При этом сигналы спиновых генераторов сравниваются с опорными сигналами от рубидиевых или цезиевых квантовых стандартов частоты. Частоты ω₁ и ω₂ и фазы ϕ₁ и ϕ₂ модуляции луча опроса детектируются фотоприемником, сигнал с которого подается в измерительное устройство и через цепи обратной связи на катушку, создающую переменное магнитное поле. Использование в одной камере поглощения двух типов ядер с различными гиромагнитными отношениями γ₁ и γ₂ позволяет снизить требования к стабильности поля, при этом угловая скорость вращения гироскопа Ω определяется выражениемThe measurement of frequencies ω ₁ and ω ₂ and phases ϕ ₁ and ϕ _{2 of the} precession of the magnetic moments of two ensembles of oriented mercury nuclei is carried out by registering amplitude-modulated radiation passing through the absorption chamber along the interrogation beam of the second optical path. In this case, the signals of the spin generators are compared with the reference signals from rubidium or cesium quantum frequency standards. The frequencies ω ₁ and ω ₂ and the phases ϕ ₁ and ϕ _{2 of} modulation of the interrogation beam are detected by a photodetector, the signal from which is fed to the measuring device and through the feedback circuit to the coil creating an alternating magnetic field. The use of two types of nuclei with different gyromagnetic ratios γ ₁ and γ ₂ in one absorption chamber makes it possible to reduce the requirements for field stability, while the angular velocity of gyroscope rotation Ω is determined by the expression

Принципиальным недостатком прототипа являются измерительные погрешности, связанные со световым сдвигом частоты радиооптического резонанса, который обусловлен действием на атомы рабочего вещества нерезонансных компонент света накачки [.S. Mathur, Н. Tang, W. Happer, Light Shifts in the Alkali Atoms // Phys. Rev. - 1968. - v171. - №1, p. 11.]. В соответствии с работой [W. Happer, Optical pumping // Rev. Mod. Phys. - 1972. - №2, p. 169-249] световые сдвиги частоты радиооптического резонанса в изотопах ртути достигают экспериментальных значений в несколько десятых герца при темпах накачки, обеспечивающих надежное детектирование резонансного сигнала. При указанных данных для измерения частоты вращения Земли (~ 10^-5 Гц) необходимо обеспечить относительную стабильность излучения накачки на уровне 0,01%, что требует использования соответствующих схем контроля и стабилизации параметров источников оптической накачки.The principal disadvantage of the prototype is the measurement errors associated with the light shift of the frequency of radio-optical resonance, which is due to the action on the atoms of the working substance of the non-resonant components of the pumping light [.S. Mathur, N. Tang, W. Happer, Light Shifts in the Alkali Atoms // Phys. Rev. - 1968. - v171. - No. 1, p. eleven.]. In accordance with the work [W. Happer, Optical pumping // Rev. Mod. Phys. - 1972. - No. 2, p. 169-249], the light shifts of the frequency of radio-optical resonance in mercury isotopes reach experimental values of several tenths of a hertz at pumping rates that ensure reliable detection of the resonance signal. With these data, to measure the Earth's rotation frequency (~ 10 ^-5 Hz), it is necessary to ensure the relative stability of the pump radiation at the level of 0.01%, which requires the use of appropriate control and stabilization schemes for the parameters of the optical pump sources.

Задачей полезной модели является разработка квантового гироскопа с оптической накачкой, в котором отсутствует измерительная погрешность, связанная со световым сдвигом резонансной частоты.The task of the utility model is the development of an optically pumped quantum gyroscope, in which there is no measurement error associated with the light shift of the resonance frequency.

Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом гироскопе, содержащем схему обработки выходного сигнала и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения, первый из которых содержит последовательно расположенные первый лазерный источник накачки, камеру поглощения, охваченную первой радиочастотной катушкой и помещенной в центр катушки постоянного магнитного поля, подключенной к блоку питания, а также первый приемный фотодетектор, подключенный к первому усилителю. Второй оптический тракт содержит последовательно расположенные второй лазерный источник накачки и камеру поглощения. В камеру поглощения введены пары щелочного металла, источники накачки выполнены в виде лазеров, настроенных на циклические электродипольные переходы паров щелочного металла, между первым и вторым источниками накачки и камерой поглощения соответственно помещены первый и второй линейный поляризаторы и добавлена охватывающая камеру поглощения вторая радиочастотная катушка, оси первой и второй радиочастотных катушек соответственно ориентированы вдоль второго и первого оптических трактов, перпендикулярно плоскости которых ориентирована ось катушки постоянного магнитного поля, радиочастотные катушки выполнены в виде двух отдельных первой и второй секций, после камеры поглощения во втором оптическом тракте установлен второй фотодетектор, подключенный ко второму усилителю, выход первого усилителя подключен к входу первого делителя частоты, выход второго усилителя через фазовращатель (значение необходимого фазового сдвига переменного напряжения на выходе фазовращателя 16 зависит как от величины рабочего магнитного поля, так и вида рабочего вещества в камере поглощения) подключен к входу второго делителя частоты, при этом первые выходы первого и второго делителей частоты соответственно подключены к входам первого и второго 90° фазовращателей, вторые - к первой и второй секциям первой радиочастотной катушки, третьи - к первому и второму входу схемы обработки выходного сигнала, а вторые выходы первого и второго 90° фазовращателей, соответственно подключены к первой и второй секциям второй радиочастотной катушки.The task is achieved by the fact that in the known quantum gyroscope containing the output signal processing circuit and two mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber, the first of which contains the first laser pump source located in series, the absorption chamber covered by the first radio-frequency coil and placed in the center of the coil constant magnetic field connected to the power supply, as well as the first receiving photodetector connected to the first amplifier. The second optical path contains a second laser pumping source and an absorption chamber located in series. Alkali metal vapors are introduced into the absorption chamber, the pump sources are made in the form of lasers tuned to cyclic electric dipole transitions of alkali metal vapors, the first and second linear polarizers are placed between the first and second pump sources and the absorption chamber, respectively, and a second RF coil covering the absorption chamber is added, axes of the first and second radio frequency coils, respectively, are oriented along the second and first optical paths, perpendicular to the plane of which the axis of the constant magnetic field coil is oriented, the radio frequency coils are made in the form of two separate first and second sections, after the absorption chamber in the second optical path, a second photodetector is installed, connected to the second amplifier, the output of the first amplifier is connected to the input of the first frequency divider, the output of the second amplifier through the phase shifter (the value of the required phase shift of the alternating voltage at the output of the phase shifter 16 depends both on the value working magnetic field and the type of working substance in the absorption chamber) is connected to the input of the second frequency divider, while the first outputs of the first and second frequency dividers are respectively connected to the inputs of the first and second 90 ° phase shifters, the second - to the first and second sections of the first radio frequency coil , the third - to the first and second inputs of the output signal processing circuit, and the second outputs of the first and second 90 ° phase shifters, respectively, are connected to the first and second sections of the second radio frequency coil.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг. 1 и фиг. 2).The essence of the utility model is illustrated by graphic material (Fig. 1 and Fig. 2).

На фиг. 1 изображена схема предлагаемой полезной модели квантового гироскопа с лазерной оптической накачкой атомов щелочных металлов. В схеме на фиг. 1 приняты следующие обозначения:FIG. 1 shows a diagram of the proposed useful model of a quantum gyroscope with laser optical pumping of alkali metal atoms. In the circuit in FIG. 1 the following designations are adopted:

1 - схема обработки выходного сигнала,1 - circuit for processing the output signal,

2 - камера поглощения,2 - absorption chamber,

3, 9 - первый и второй лазерные источники накачки с поясняющей надписью на фиг. 1 L1 и L2 соответственно,3, 9 - the first and second laser pump sources with an explanatory inscription in Fig. 1 L1 and L2 respectively,

4, 12 - первая и вторая радиочастотные катушки с поясняющей надписью на фиг. 1 рч1 и рч2 соответственно,4, 12 - the first and second radio frequency coils with an explanatory inscription in FIG. 1 rch1 and rch2, respectively,

5 - катушка постоянного магнитного поля,5 - coil of constant magnetic field,

6 - блок питания катушки постоянного магнитного поля,6 - constant magnetic field coil power supply,

7, 13 - первый и второй приемные фотодетекторы, на фиг.1 с поясняющей надписью ФД1 и ФД2 соответственно,7, 13 - the first and second receiving photodetectors, in figure 1 with an explanatory inscription FD1 and FD2, respectively,

8 - первый усилитель обратной связи,8 - the first feedback amplifier,

14 - второй усилитель обратной связи,14 - the second feedback amplifier,

10, 11 - первый и второй линейные поляризаторы, на фигуре с поясняющей надписью П1 и П2 соответственно,10, 11 - the first and second linear polarizers, in the figure with explanatory inscriptions P1 and P2, respectively,

15, 17 - первый и второй делители частоты с поясняющей надписью ƒ₁/2 и ƒ₂/2 соответственно,15, 17 - first and second frequency dividers with an inscription explaining ƒ _1/2 and ƒ _2/2, respectively,

16 - фазовращатель с поясняющей надписью Δϕ на фиг. 1 (обеспечивает сдвиг фазы на заданное значение Δϕ),16 - phase shifter with explanatory inscription Δϕ in FIG. 1 (provides a phase shift by a given value Δϕ),

18, 19 - первый и второй на 90° фазовращатели.18, 19 - the first and second 90 ° phase shifters.

Схема и описание прототипа заявляемого изобретения - ядерного гироскопа на базе двух спиновых генераторов с одной ячейкой на изотопах ртути ¹⁹⁹ ₈₀Hg, ²⁰¹ ₈₀Hg с оптической ориентацией ядер представлена в [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101, рис 59].The diagram and description of the prototype of the claimed invention - a nuclear gyroscope based on two spin generators with one cell based on isotopes of mercury ¹⁹⁹ ₈₀ Hg, ²⁰¹ ₈₀ Hg with the optical orientation of nuclei is presented in [Maleev PI, New types of gyroscopes, Iz-in L .: Shipbuilding, 1971. - S. 160, see p. 101, fig. 59].

На фиг. 2 показана схема электродипольных циклических переходов Д2 линии в атомах щелочных металлов с ядерным спином 3/2.FIG. 2 shows a diagram of the electric dipole cyclic transitions of the D2 line in alkali metal atoms with a nuclear spin of 3/2.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:FIG. 2 the following designations are adopted:

L₁, L₂ - электродипольные циклические переходы под действием излучения лазерной накачки от двух независимых источников,L ₁ , L ₂ - electric dipole cyclic transitions under the action of laser pumping radiation from two independent sources,

F_g - полный момент атома,F _g is the total moment of the atom,

S_1/2 - основное состояние атомов щелочных металлов,S _1/2 is the ground state of alkali metal atoms,

F_e - величина прецессии атомного спина,F _e is the value of the precession of the atomic spin,

m_F - накопление атомов на магнитных подуровнях,m _F is the accumulation of atoms on magnetic sublevels,

Р_3/2 - возбужденное состояние атомов щелочных металлов.P _3/2 is the excited state of alkali metal atoms.

Квантовый гироскоп содержит схему обработки выходного сигнала 1 и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения 2, первый из которых содержит последовательно расположенные первый источник накачки 3, камеру поглощения 2, охваченную первой радиочастотной катушкой 4 и помещенную в центр катушки постоянного магнитного поля 5, подключенной к блоку питания 6, а также первый приемный фотодетектор 7, подключенный к первому усилителю 8, причем второй оптический тракт содержит последовательно расположенные второй источник накачки 9 и камеру поглощения 2, между первым источником накачки 3 и вторым источником накачки 9 и камерой поглощения 2 соответственно помещены первый и второй линейный поляризаторы 10 и 11 и добавлена охватывающая камеру поглощения 2 вторая радиочастотная катушка 12, оси первой и второй радиочастотных катушек 4 и 12 соответственно ориентированы вдоль второго и первого оптических трактов, перпендикулярно плоскости которых ориентирована ось катушки постоянного магнитного поля 5, радиочастотные катушки 4 и 12 выполнены в виде двух отдельных первой и второй секций, после камеры поглощения 2 во втором оптическом тракте установлен второй фото детектор 13, подключенный ко второму усилителю 14, выход первого усилителя 8 подключен к входу первого делителя частоты 15, выход второго усилителя 14 через фазовращатель 16 подключен к входу второго делителя частоты 17, при этом первые выходы первого и второго делителей частоты 15 и 17 соответственно подключены к входам первого и второго 90° фазовращателей 18 и 19, к первой и второй секциям первой радиочастотной катушки 4, и к первому и второму входу схемы обработки выходного сигнала 1, а выходы первого и второго 90° фазовращателей 18 и 19, соответственно подключены к первой и второй секциям второй радиочастотной катушки 12.The quantum gyroscope contains a circuit for processing the output signal 1 and two mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber 2, the first of which contains the first pump source 3 in series, the absorption chamber 2, covered by the first radio frequency coil 4 and placed in the center of the constant magnetic field coil 5, connected to the power supply unit 6, as well as the first receiving photodetector 7 connected to the first amplifier 8, and the second optical path contains the second pump source 9 and the absorption chamber 2 arranged in series, between the first pump source 3 and the second pump source 9 and the absorption chamber 2, respectively placed the first and second linear polarizers 10 and 11 and added a second radio frequency coil 12 covering the absorption chamber 2, the axes of the first and second radio frequency coils 4 and 12, respectively, are oriented along the second and first optical paths, perpendicular to the plane of which the axis of the coil is oriented along stationary magnetic field 5, radio frequency coils 4 and 12 are made in the form of two separate first and second sections, after the absorption chamber 2 in the second optical path, a second photo detector 13 is installed connected to a second amplifier 14, the output of the first amplifier 8 is connected to the input of the first frequency divider 15, the output of the second amplifier 14 through the phase shifter 16 is connected to the input of the second frequency divider 17, while the first outputs of the first and second frequency dividers 15 and 17 are respectively connected to the inputs of the first and second 90 ° phase shifters 18 and 19, to the first and second sections of the first radio frequency coil 4, and to the first and second input of the output signal processing circuit 1, and the outputs of the first and second 90 ° phase shifters 18 and 19, respectively, are connected to the first and second sections of the second radio frequency coil 12.

В качестве блока питания 6 катушки постоянного магнитного поля 5 может быть использован промышленный вариант источника постоянного тока [Программируемый источник питания RIGOL DP832]. В качестве делителей частоты на два 15 и 17 могут быть использованы цифровые счетчики на промышленных логических микросхемах. В качестве фазовращателей 16, 18 и 19 могут быть использованы радиотехнические схемы вида [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller]. В качестве схемы обработки выходного сигнала на разностной частоте может быть использована схема с программным управлением на базе персонального компьютера с опорным сигналом от квантового стандарта частоты [Рубидиевый стандарт частоты FE-5680A 10 МГц].An industrial version of the DC power supply [RIGOL DP832 Programmable Power Supply] can be used as a power supply unit 6 of a constant magnetic field coil 5. Digital counters on industrial logic microcircuits can be used as frequency dividers by two 15 and 17. As phase shifters 16, 18 and 19 can be used radio circuits of the form [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller]. As a circuit for processing the output signal at the difference frequency, a program-controlled circuit based on a personal computer with a reference signal from a quantum frequency standard [Rubidium frequency standard FE-5680A 10 MHz] can be used.

Квантовый гироскоп работает следующим образом.The quantum gyroscope works as follows.

Световые пучки от источников оптической накачки 3 и 9, проходя через линейные поляризаторы 10 и 11, становится линейно поляризованным и далее поступает в камеру поглощения 2 с парами щелочного металла. Действие этого линейно поляризованного излучения на атомы щелочных металлов приводит к перераспределению населенностей на магнитных подуровнях основного состояния таким образом, что большинство атомов рабочего вещества накапливаются на магнитных подуровнях с наибольшим по модулю значением проекции магнитного квантового числа как это показано на фиг. 2. В технике оптической накачки этот процесс получил название эффекта выстраивания атомных спинов [см. например G.Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, A.S. Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A. Weis. - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Phesical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. Ha фиг. 2 представлена часть схемы энергетических магнитных подуровней щелочных атомов с ядерным спином 3/2, где двойными стрелками показаны электродипольные циклические переходы под действием излучения лазерной накачки от двух независимых источников, пунктирные стрелки показывают спонтанные переходы из возбужденного состояния Р_3/2. В соответствии с фиг. 2 действие двух источников накачки L₁ и L₂ на атомы щелочного металла в основном состоянии S_1/2 приводит к накоплению атомов на магнитных подуровнях m_F=±2 состояния сверхтонкой структуры с полным моментом атома F_g=2 u m_F=±1 состояния сверхтонкой структуры с полным моментом атома F_g=1. Этот процесс осуществляется в парощелочных камерах поглощения с антирелаксационным покрытием за счет спонтанных переходов с правилом отбора для полного момента атома ΔF_g=1 (показанных пунктирными стрелками на фиг. 2), что позволяет детектировать эффект выстраивания атомов в состояниях F_g=1 и F_g=2 как в двух независимых атомных ансамблях. Подобное детектирование осуществляется на двойной частоте Лармора путем воздействия вращающегося радиочастотного поля на частоте Лармора, создаваемого первой 4 и второй 12 радиочастотными катушками в плоскости, перпендикулярно которой приложено постоянное магнитное поле, создаваемое катушкой 5 с помощью блока питания 6. При этом оптические оси линейных поляризаторов 10 и 11 устанавливаются под углом 90° к направлению постоянного магнитного поля, что, в соответствии с [G.Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, A.S. Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A.Weis. - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Physical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. исключает формирование сигнала прецессии на частоте Лармора. Действие вращающегося радиочастотного поля на атомы щелочного металла (например, атомов щелочных металлов с ядерным спином 3/2) приводит к модуляции проходящего через камеру поглощения 2 света накачки от лазерных источников 3 и 9, что приводит к появлению сигналов переменного тока на удвоенной частоте Лармора, соответственно фиксируемых фото детекторами 7 и 13.Light beams from optical pump sources 3 and 9, passing through linear polarizers 10 and 11, become linearly polarized and then enter the absorption chamber 2 with alkali metal vapor. The action of this linearly polarized radiation on alkali metal atoms leads to a redistribution of populations on the magnetic sublevels of the ground state in such a way that most of the atoms of the working substance accumulate on magnetic sublevels with the largest magnitude of the projection of the magnetic quantum number, as shown in Fig. 2. In the technique of optical pumping, this process is called the effect of alignment of atomic spins [see. for example G. Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, AS Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A. Weis. - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Phesical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. Ha fig. 2 shows a part of the diagram of the energy magnetic sublevels of alkali atoms with nuclear spin 3/2, where double arrows show electric dipole cyclic transitions under the action of laser pumping radiation from two independent sources, dashed arrows show spontaneous transitions from the excited state Р _3/2 . Referring to FIG. 2, the action of two pump sources L ₁ and L ₂ on alkali metal atoms in the ground state S _1/2 leads to the accumulation of atoms on the magnetic sublevels m _F = ± 2 states of the hyperfine structure with the total moment of the atom F _g = 2 um _F = ± 1 states hyperfine structure with total atomic moment F _g = 1. This process is carried out in steam-alkaline absorption chambers with an antirelaxation coating due to spontaneous transitions with the selection rule for the total moment of the atom ΔF _g = 1 (shown by dashed arrows in Fig. 2), which makes it possible to detect the effect of aligning atoms in the states F _g = 1 and F _g = 2 as in two independent atomic ensembles. Such detection is carried out at a double Larmor frequency by the action of a rotating radio-frequency field at the Larmor frequency, created by the first 4 and second 12 radio-frequency coils in a plane perpendicular to which a constant magnetic field is applied, created by the coil 5 using the power supply 6. In this case, the optical axes of linear polarizers 10 and 11 are set at an angle of 90 ° to the direction of the constant magnetic field, which, in accordance with [G. Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, AS Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A. Weis ... - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Physical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. excludes the formation of a precession signal at the Larmor frequency. The action of a rotating radio-frequency field on alkali metal atoms (for example, alkali metal atoms with a nuclear spin of 3/2) leads to modulation of the pumping light passing through the absorption chamber 2 from laser sources 3 and 9, which leads to the appearance of alternating current signals at the doubled Larmor frequency, respectively recorded by photo detectors 7 and 13.

Сигнал переменного тока с выхода фотодетектора 7 усиливается в усилителе обратной связи 8 первого оптического тракта и поступает на вход делителя частоты 15, на выходе которого формируется сигнал на частоте, равной частоте Ларморовской прецессии в состоянии с F_g=2. Этот сигнал поступает далее к входу первого 90° фазовращателя 18 и на вход первой секции первой радиочастотной катушки 4. С выхода первого 90° фазовращателя 18 сдвинутое по фазе переменное напряжение поступает на вход первой секции второй радиочастотной катушки 12, что при выполнении условий самовозбуждения приводит к возникновению автоколебаний на удвоенной частоте Лармора ω₁, соответствующей прецессии атомного спина в состоянии F_g=2.The AC signal from the output of the photodetector 7 is amplified in the feedback amplifier 8 of the first optical path and fed to the input of the frequency divider 15, at the output of which a signal is generated at a frequency equal to the frequency of the Larmor precession in the state with F _g = 2. This signal is then fed to the input of the first 90 ° phase shifter 18 and to the input of the first section of the first radio frequency coil 4. From the output of the first 90 ° phase shifter 18, the phase-shifted alternating voltage is fed to the input of the first section of the second RF coil 12, which, when self-excitation conditions are met, leads to the appearance of self-oscillations at the doubled Larmor frequency ω ₁ , which corresponds to the precession of the atomic spin in the state F _g = 2.

По аналогичной схеме происходит формирование автоколебаний во втором оптическом тракте. Сигнал переменного тока с выхода фотодетектора 13 усиливается в усилителе обратной связи 14 второго оптического тракта и поступает на вход фазовращателя 16, на выходе которого формируется сигнал на удвоенной частоте Ларморовской прецессии. Этот сигнал поступает на вход делителя частоты 17, на выходе которого формируется переменное напряжение на частоте Лармора юг в состоянии с F_g=1. Далее это напряжение поступает на вход второго 90° фазовращателя 19 и на вход второй секции первой радиочастотной катушки 4. С выхода второго 90° фазовращателя 19 сдвинутое по фазе переменное напряжение поступает на вход второй секции второй радиочастотной катушки 12, что при выполнении условий самовозбуждения приводит к возникновению автоколебаний на удвоенной частоте Лармора, соответствующей прецессии атомного спина в состоянии F_g=1.The formation of self-oscillations in the second optical path takes place in a similar way. The AC signal from the output of the photodetector 13 is amplified in the feedback amplifier 14 of the second optical path and is fed to the input of the phase shifter 16, at the output of which a signal is generated at the doubled Larmor precession frequency. This signal is fed to the input of the frequency divider 17, at the output of which an alternating voltage is formed at the Larmor frequency south in a state with F _g = 1. Further, this voltage is fed to the input of the second 90 ° phase shifter 19 and to the input of the second section of the first radio frequency coil 4. From the output of the second 90 ° phase shifter 19, the phase-shifted alternating voltage is fed to the input of the second section of the second radio frequency coil 12, which, when the self-excitation conditions are met, leads to the emergence of self-oscillations at the doubled Larmor frequency corresponding to the precession of the atomic spin in the state F _g = 1.

Функциональная роль фазовращателя 16 заключается в выравнивании частот прецессии ω₁ и ω₂, что позволяет исключить зависимость разности частот ω₁ и ω₂ от внешнего магнитного поля и его вариаций. При равенстве этих частот частота сигнала, фиксируемого схемой обработки 1, равна удвоенной частоте вращения гироскопа относительно оси, задаваемой вектором внешнего магнитного поля. Значение необходимого фазового сдвига переменного напряжения на выходе фазовращателя 16 зависит как от величины рабочего магнитного поля, так и вида рабочего вещества в камере поглощения. Так, например, применительно к атомам цезия 133, в геомагнитном поле различие в частотах ω₁ и ω₂ составляет более 500 Гц и уменьшается до 10 Гц при работе в постоянном магнитном поле ~ 1 мкТл. При тех же условиях для атомов рубидия-87 различие в частотах прецессии в геомагнитном поле и поле 1 мкТл составляет 1,4 кГц и 14 Гц соответственно. Из приведенных оценок следует целесообразность использования в работе квантового гироскопа слабых магнитных полей, где несложно обеспечить необходимый фазовый сдвиг переменного напряжения на выходе фазовращателя 16. При этом использование двух вращающихся радиочастотных полей, каждое из которых действует лишь на одно из состояний сверхтонкой структуры щелочных атомов, принципиально исключает погрешности устройства, вызванные действием нерезонансной компоненты радиочастотного поля, наблюдаемые в технике магнитного резонанса при использовании линейно поляризованного переменного магнитного поля известные как сдвиги Блоха-Зигерта, см. например [Л.Н. Новиков, Г.В. Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии, - УФН, 1978, том 125, вып. 3, стр. 449-488].The functional role of the phase shifter 16 is to equalize the precession frequencies ω ₁ and ω ₂ , which makes it possible to exclude the dependence of the frequency difference ω ₁ and ω ₂ on the external magnetic field and its variations. When these frequencies are equal, the frequency of the signal recorded by the processing circuit 1 is equal to twice the frequency of rotation of the gyroscope about the axis specified by the vector of the external magnetic field. The value of the required phase shift of the alternating voltage at the output of the phase shifter 16 depends on both the magnitude of the working magnetic field and the type of the working substance in the absorption chamber. So, for example, as applied to the atoms of cesium 133, in the geomagnetic field the difference in frequencies ω ₁ and ω ₂ is more than 500 Hz and decreases to 10 Hz when operating in a constant magnetic field of ~ 1 μT. Under the same conditions for rubidium-87 atoms, the difference in precession frequencies in the geomagnetic field and in a 1 μT field is 1.4 kHz and 14 Hz, respectively. From the above estimates it follows that it is advisable to use weak magnetic fields in the operation of a quantum gyroscope, where it is not difficult to provide the necessary phase shift of the alternating voltage at the output of the phase shifter 16. In this case, the use of two rotating radio-frequency fields, each of which acts only on one of the states of the hyperfine structure of alkali atoms, is fundamentally eliminates device errors caused by the action of the non-resonant component of the radio-frequency field, observed in the technique of magnetic resonance when using a linearly polarized alternating magnetic field, known as Bloch-Siegert shifts, see for example [L.N. Novikov, G.V. Skrotsky, Nonlinear and parametric effects in atomic radiospectroscopy, UFN, 1978, volume 125, no. 3, pp. 449-488].

Принципиальным преимуществом заявляемой полезной модели по сравнению с аналогами, где используется циркулярно поляризованное излучение накачки, является отсутствие так называемого светового сдвига частоты. Так, например, применительно к парам щелочных металлов в условиях их оптической ориентации циркулярно поляризованным излучением световой сдвиг содержит три составляющих [W. Happer, B.S. Mathur, Effective operator formalism in optical pumping, Phys. Rev. - 1967. - v163. - №1, P. 12-25]:The fundamental advantage of the claimed utility model in comparison with analogs that use circularly polarized pump radiation is the absence of the so-called light frequency shift. So, for example, as applied to vapors of alkali metals in conditions of their optical orientation by circularly polarized radiation, the light shift contains three components [W. Happer, B.S. Mathur, Effective operator formalism in optical pumping, Phys. Rev. - 1967. - v163. - No. 1, P. 12-25]:

1. Скалярный сдвиг, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры.1. Scalar shift, the same for all magnetic sublevels of the hyperfine structure.

2. Векторный сдвиг, вызванный эффективным магнитным полем, наводимым в среде циркулярно поляризованным излучением накачки (явление, известное как обратный эффект Фарадея).2. Vector shift caused by the effective magnetic field induced in the medium by circularly polarized pump radiation (a phenomenon known as the inverse Faraday effect).

3. Тензорный сдвиг, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа m_F.3. Tensor shift associated with the effect of alignment of atoms of the ground state and depending on the magnetic quantum number m _F.

В соответствии с указанной классификацией составляющих светового сдвига его скалярная компонента не влияет на резонансную частоту квантового гироскопа, поскольку частотный диапазон его работы не включает СВЧ переходы между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния щелочного атома.In accordance with the above classification of the components of the light shift, its scalar component does not affect the resonant frequency of the quantum gyroscope, since the frequency range of its operation does not include microwave transitions between sublevels of the hyperfine structure of the ground state of an alkaline atom.

Использование линейно поляризованного света накачки в заявленном устройстве позволяет на атомном уровне исключить эффективное магнитное поле и, следовательно - векторную компоненту светового сдвига.The use of linearly polarized pumping light in the claimed device makes it possible at the atomic level to exclude the effective magnetic field and, therefore, the vector component of the light shift.

Тензорная компонента светового сдвига в условиях выстраивания атомов щелочного металла одинаковым образом смещает магнитные подуровни основного состоянии S_1/2 с m_F=±2 и с m_F=±1, поэтому также не влияет на резонансную частоту квантового гироскопа.The tensor component of the light shift under the conditions of aligning the alkali metal atoms in the same way shifts the magnetic sublevels of the ground state S _1/2 with m _F = ± 2 and with m _F = ± 1, therefore, it also does not affect the resonant frequency of the quantum gyroscope.

Указанные особенности схемного построения заявляемого квантового гироскопа позволяют достигнуть положительного результата, заключающегося в устранении измерительной погрешности, вследствие компенсации светового сдвига резонансной частоты атомов рабочего вещества.These features of the circuit design of the claimed quantum gyroscope allow achieving a positive result, which consists in eliminating the measurement error, due to compensation of the light shift of the resonant frequency of the atoms of the working substance.

Claims

A quantum gyroscope containing an output signal processing circuit and two mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber, the first of which contains a pump source located in series with the first, an absorption chamber covered by the first radio frequency coil and placed in the center of a constant magnetic field coil connected to a power supply, and also the first receiving photodetector connected to the first amplifier, and the second optical path contains a second pump source and an absorption chamber located in series, characterized in that alkali metal vapors are introduced into the absorption chamber, the pump sources are made in the form of lasers tuned to cyclic electric dipole transitions of vapors alkali metal, the first and second linear polarizers are placed between the first and second pump sources and the absorption chamber, respectively, and a second radio frequency coil enclosing the absorption chamber is added, the axes of the first and second radio frequency coils with Responsibly oriented along the second and first optical paths, perpendicular to the plane of which the axis of the constant magnetic field coil is oriented, the radio frequency coils are made in the form of two separate first and second sections, after the absorption chamber in the second optical path, a second photodetector is installed connected to the second amplifier, the output of the first amplifier connected to the input of the first frequency divider, the output of the second amplifier through a phase shifter is connected to the input of the second frequency divider, while the first outputs of the first and second frequency dividers are respectively connected to the inputs of the first and second 90 ° phase shifters, to the first and second sections of the first radio frequency coil, and to the first and second inputs of the output signal processing circuit, and the second outputs of the first and second 90 ° phase shifters, respectively, are connected to the first and second sections of the second radio frequency coil.