一種基于serf原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量方法
【專利摘要】本發明一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量方法，首先制作充有正壓氣體的內含堿金屬的玻璃氣室以及真空氣室；加熱烤箱，使堿金屬氣室溫度達到SERF態所需要的溫度；開始操作周期：對堿金屬氣室進行抽運；中斷抽運，在垂直抽運方向作用90°射頻脈沖；中斷射頻，在垂直抽運方向間隔進行兩次探測光脈沖檢測，由以上測得的實驗數據可得到磁場強度；然后使用圓偏振光抽運一段時間后在垂直抽運方向進行探測光檢測，由該步實驗結果和測得的磁場強度進行補償可得到高精度慣性角速率，結束抽運和檢測。本發明的磁場測量和慣性測量是在同一實驗設備和條件下進行，并利用測得的磁場補償了由于干擾磁場引起的慣性角速率誤差，提高了測量精度。
【專利說明】
一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法
技術領域
[0001 ] 本發明涉及一種基于SERF (Spin-Exchange-Relaxati on-Free，無自旋交換弛豫） 原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量方法，特別是一種在同一實驗條件和同一套 實驗設備下分時測量磁場和慣性角速度的SERF原子器件的設計，可用于高精度的慣性地磁 組合導航。
【背景技術】
[0002] 國防軍事需要高精度的慣性導航與制導系統以及極微弱的磁場測量技術。目前， 陀螺儀精度難以提高成為了制約慣導系統性能提高的關鍵。現有的高精度陀螺儀主要有轉 子陀螺儀與光學陀螺儀，但遇到了精度進一步提高的技術瓶頸。隨著量子調控技術的發展， 基于SERF原子自旋效應的慣性測量裝置成為可能并得以原理驗證，已經成為下一代超高精 度慣性測量設備的發展方向，其基于原子自旋的定軸性和進動性測量角運動，具有超高精 度、結構簡單、體積小等優點。微弱磁場測量需要磁強計具有超高的靈敏度。目前，應用較為 廣泛的磁強計主要有磁通門磁強計、超導量子干涉磁強計和原子自旋磁強計，其中具有被 動磁屏蔽系統的基于原子自旋效應的磁場測量裝置取得了人類目前最高的磁場測量靈敏 度。而基于主動磁補償技術的無屏蔽SERF原子自旋磁強計技術也在逐漸發展。
[0003] 基于SERF原子自旋效應的慣性測量裝置和磁場測量裝置具有超高的預期靈敏度， 國內外多家研究機構開展了實驗研究工作，但將二者集成一體的測量技術卻未見報道，所 以當需要同時測量磁場和慣性量時，磁場測量和慣性角速度測量往往要在兩個實驗條件下 兩套實驗設備下進行，占用空間大，耗用資金高。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出一種基于SERF原子器件的 磁場補償慣性角速率的高精度測量方法，磁場測量和慣性測量是在同一實驗設備和條件下 進行，并利用測得的磁場補償了由于干擾磁場引起的慣性角速率誤差，提高了測量精度。
[0005] 本發明的技術解決方案為:一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精 度測量方法，其特征在于:磁場測量和慣性角速度測量在同一實驗條件下進行而不是使用 兩套實驗設備;磁場和慣性角速度的測量是相互分開的，分時交替進行，周期進行，其實現 步驟如下：
[0006] (1)使用一束圓偏振光穿過堿金屬氣室(Z方向）對堿金屬原子進行抽運，持續14~ 15ms ；
[0007] (2)中斷抽運，在垂直于抽運方向（X方向）作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持 續三到五個周期；
[0008] (3)中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進行第一次探測光脈沖 檢測，測量探測光偏振方向旋轉角度，持續5~10個拉莫爾周期；
[0009] (4)間隔時間20~30個拉莫周期后，用線偏振光在y方向進行第二次探測光脈沖， 測量探測光偏振方向旋轉角度，持續5~10個拉莫爾周期，由第一次探測和第二次探測中探 測光偏振方向第一次旋轉了 η角的時間^^，及七到^期間探測光偏振方向旋轉角達到^整 數倍的次數m可通過計算得到磁場強度，Β = 23?πι/γτ。，其中為堿金屬原子的電 子自旋旋磁比；
[0010] (5)結束檢測，然后使用圓偏振光在Z方向進行抽運，抽運14~15ms后在X方向用線 偏振光進行探測光檢測，測量探測光偏振方向旋轉角度，同時抽運不中斷，然后結束抽運和 檢測，步驟(4)計算出的磁場強度進行補償得到高精度的慣性角速率，進行下一個周期的操 作。
[0011]本發明的原理是：SERF原子自旋陀螺儀與原子磁強計的測量環境是相容的，SERF 原子陀螺儀和原子磁強計都以堿金屬氣室為核心，都要求低磁場，并且SERF(無自旋交換弛 豫)態下也可以進行微弱磁場測量，兩者并不沖突。所以可以在SERF原子自旋陀螺儀的實驗 條件下進行磁場測量，并且利用測量得到的磁場來補償慣性角速度的誤差積累。上文提到 的操作周期的前四步是進行磁場測量，磁場測量的原理是:使用圓偏振光對堿金屬氣室進 行抽運，使堿金屬原子自旋被極化，自旋排列變得規則，但是由于存在磁場，堿金屬原子自 旋存在拉莫爾進動。在垂直于極化方向的方向上施加90度射頻，使得堿金屬進動角變大，進 動角變為90度，從而原子僅在垂直于抽運方向的平面內自旋，并由于射頻的作用，自旋同 相。然后使用探測光在垂直于極化方向上進行探測，由于法拉第旋光效應，原子自旋方向與 探測光不同的夾角會導致探測光偏振方向改變不同的角度。則探測光偏振方向旋轉角的變 化頻率即為二倍的拉莫爾進動頻率，因為拉莫爾進動頻率與磁場成比例，則可以得到磁場 大小。上文提到的操作周期的第五步是進行慣性角速率的測量，慣性角速率測量的原理是： 由于實驗載體相對于慣性空間存在角速率，由于原子自旋存在慣性將存在相對于慣性空間 自旋方向不變的趨勢，于是在抽運光和慣性共同的作用下，原子自旋與抽運方向存在與慣 性角速率相關的夾角，由法拉第旋光效應，利用探測光偏振方向旋轉的角度可以求得原子 自旋與抽運方向的夾角，進而求得慣性角速率。
[0012] 一般SERF原子陀螺儀在使用中存在干擾磁場，將每一個操作周期中磁場測量得到 的磁場強度帶入下面Bloch方程中的B，通過解算Bloch方程求解慣性角速率Ω，可達到補償 慣性角速率，提高慣性角速率測量精度的目的。
[0015]方程中各參數的物理含義為：γ(3:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原 子的核自旋旋磁比；堿金屬原子的電子自旋極化率；聲1V惰性氣體原子的核自旋極化率； Q:減慢因子；:電子自旋感受到核自旋產生的磁場；核自旋感受到電子自旋 產生的磁場;L堿金屬原子的光位移;汰載體系相對慣性系的轉動角速度:抽運激光的 光子角動量傳遞方位;R P :抽運激光的光抽運率;I:檢測激光的光抽運率，反映檢測激光對 電子自旋的極化作用；檢測激光的光子角動量傳遞方位;馬P核自旋抽運率，反映惰性 氣體原子核自旋對堿金屬原子電子自旋的極化作用；把心電子自旋抽運率，反映堿金屬原 子電子自旋對惰性氣體原子核自旋的極化作用；Rtot:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率； 惰性氣體原子核自旋的總弛豫率。
[0016] 本發明與現有技術相比的優點在于:本發明的磁場測量和慣性測量是在同一套實 驗設備和同一條件下進行的，因此大大減少了設備占有空間和資金消耗，并且每一個操作 周期得到的磁場都用來補償慣性角速率的測量，所以測量精度較高。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量方法 的流程圖；
[0018] 圖2為本發明中基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量系統示意 圖。
【具體實施方式】
[0019] 如圖1所示，本發明的具體實施步驟如下：
[0020] 1、制作充有正壓的氣體和真空條件的內含堿金屬的玻璃氣室以及真空氣室，并置 于如圖2所示的烤箱9中，圖2中的儀器設備分別為：1、DFB(分布反饋式)激光器，2、擴束鏡， 3、偏振器，4、1/4波片，5、平面反射鏡，6、法拉第調制器，7、光電探測器，8、磁屏蔽桶，9、無磁 恒溫烤箱，10、堿金屬氣室。
[0021] 2、加熱烤箱，使堿金屬氣室溫度達到實現SERF態所需要的溫度。
[0022] 3、打開抽運激光器對堿金屬氣室中的堿金屬蒸汽進行抽運，持續14~15ms。
[0023] 4、中斷抽運，在垂直于抽運方向（X方向）作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持 續三到五個周期。
[0024] 5、中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進行第一次探測光脈沖 檢測，持續5~10個拉莫爾周期。
[0025] 6、間隔時間20~30個拉莫周期后，用線偏振光在y方向進行第二次探測光脈沖，持 續5~10個拉莫爾周期，由第一次探測和第二次探測中探測光偏振方向第一次旋轉了 π角的 時間^^^及七到^期間探測光偏振方向旋轉角達到^整數倍的次數^則可以求得氣室內 磁場強度Β = 2πηι/γΤ。，其中Tc = t2-ti，γ為堿金屬原子的電子自旋旋磁比。
[0026] 7、結束檢測，然后使用圓偏振光在Ζ方向進行抽運，抽運14~15ms后在X方向用線 偏振光進行探測光檢測同時抽運不中斷，持續一段時間后結束檢測，將得到的實驗數據和 之前測得的磁場強度B帶入下面的方程可以得到慣性角速度Ω，回到步驟3。
[0029] 方程中各參數的物理含義為：:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原 子的核自旋旋磁比；:堿金屬原子的電子自旋極化率;惰性氣體原子的核自旋極化率； Q:減慢因子;:電子自旋感受到核自旋產生的磁場;.ΛΜ e聲e:.核自旋感受到電子自旋 產生的磁場;I堿金屬原子的光位移;及載體系相對慣性系的轉動角速度抽運激光的 光子角動量傳遞方位;R P :抽運激光的光抽運率;I:檢測激光的光抽運率，反映檢測激光對 電子自旋的極化作用；檢測激光的光子角動量傳遞方位;核自旋抽運率，反映惰性 氣體原子核自旋對堿金屬原子電子自旋的極化作用；Rfi:電子自旋抽運率，反映堿金屬原 子電子自旋對惰性氣體原子核自旋的極化作用；Rtot:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率； 惰性氣體原子核自旋的總弛豫率。
[0030] 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1. 一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量方法，其特征在于：磁 場測量和慣性角速度測量在同一實驗條件下進行而不是使用兩套實驗設備;磁場和慣性角 速度的測量是相互分開的，分時交替進行，周期進行，每一周期操作如下： (1) 使用一束圓偏振光穿過堿金屬氣室，即Z方向對堿金屬原子進行抽運； (2) 中斷抽運，在垂直于抽運方向，即X方向作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持續 一段時間； (3) 中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進行第一次探測光脈沖檢 測，測量探測光偏振方向旋轉角度，持續一段時間； (4) 間隔一段時間后，用線偏振光在y方向進行第二次探測光脈沖，測量探測光偏振方 向旋轉角度，持續一段時間，由第一次探測和第二次探測中探測光偏振方向第一次旋轉了η 角的時間^^^及七到^期間探測光偏振方向旋轉角達到^整數倍的次數^計算得到磁場 強度，Β = 2πηι/γΤ。，其中Tc = t2-ti，γ為堿金屬原子的電子自旋旋磁比； (5) 結束檢測，然后使用圓偏振光在Z方向進行抽運，抽運后在X方向用線偏振光進行探 測光檢測，測量探測光偏振方向旋轉角度，同時抽運不中斷，然后結束抽運和檢測，根據磁 場強度B計算進行補償得到高精度的慣性角速率，進行下一個周期的操作。2. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:步驟(5)中慣性角速率如下:SERF原子陀螺儀在使用中存在干擾磁場，將 每一個操作周期磁場測量得到的磁場強度B代入下面Bloch方程中，通過解算Bloch方程求 魅僧袢#逋盡Ω .方程中各參數的物理含義為，Te:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原子的 核自旋旋磁比；盧:堿金屬原子的電子自旋極化率;PiVl有性氣體原子的核自旋極化率;Q:減 慢因子;;IM nPft :電子自旋感受到核自旋產生的磁場；AMePe:核自旋感受到電子自旋產生 的磁場;? 堿金屬原子的光位移;?:載體系相對慣性系的轉動角速度;fp;抽運激光的光子 角動量傳遞方位;Rp:抽運激光的光抽運率;Rm:檢測激光的光抽運率，反映檢測激光對電子 自旋的極化作用；檢測激光的光子角動量傳遞方位;E snA核自旋抽運率，反映惰性氣體 原子核自旋對堿金屬原子電子自旋的極化作用；i?f en:電子自旋抽運率，反映堿金屬原子電 子自旋對惰性氣體原子核自旋的極化作用;Rtcit:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率;^惰 性氣體原子核自旋的總弛豫率。3. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:所述步驟(1)和(5)中的抽運持續14~15ms。4. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:所述步驟(1)中，在賽曼共振頻率下持續3-5個周期。5. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:所述步驟(3)中，持續5~10個拉莫爾周期。6. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:所述步驟(4)中，間隔時間20~30個拉莫周期。7. 根據權利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場補償慣性角速率的高精度測量 方法，其特征在于:所述步驟(4)中，持續5~10個拉莫爾周期。
【文檔編號】G01C19/58GK106017451SQ201610576198
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月20日
【發明人】全偉, 房子善, 房建成, 李茹杰, 范文峰, 姜麗偉, 劉峰
【申請人】北京航空航天大學