一种SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法

摘要

本发明提出了一种SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法，通过双光束闭环电光调制检测方法检测原子自旋进动。实现自旋SERF态的原子在外界角速率的输入下会引起原子自旋的进动。本发明提出的方法是通过线偏振光与原子自旋进动的相互作用来提取原子自旋携带的角速率信息，从而实现对角速率的测量。本发明提出的检测方法不仅可以有效隔离光强、调制幅度等标度因数的影响，还能在原理上隔离实际应用中存在的误差对检测系统精度的影响，因此具有较高的灵敏度，从而在整体上有效地提高了SERF原子自旋陀螺仪的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法，属于光电检测技 术领域。

背景技术

自旋是物质的内禀属性，原子自旋由电子自旋与核自旋组成。原子自旋具有角动量， 对于一个原子自旋系综，这些角动量的合成在惯性空间中具有定轴性，与转子陀螺仪中 的高速转子在惯性空间中的定轴性类似。因此，利用原子自旋可以进行角运动的测量。 2005年，美国普林斯顿大学物理系的研究人员偶然发现了一种新型的原子自旋陀螺仪， 利用球体的敏感体积实现了2×10^-3°/h^1/2的随机游走、4×10^-2°/h的漂移。通 过理论分析，在同样的敏感体积下通过技术改进，该原子自旋陀螺仪的性能将可获得数 量级的提高，表明这一新型的原子自旋陀螺仪具有超高精度、小体积的特点。该陀螺仪 综合利用了碱金属原子的电子自旋与惰性气体的核自旋，通过操控碱金属原子的电子自 旋工作于无自旋交换弛豫(SpinExchangeRelaxationFree-SERF)态，惰性气体原子的 核自旋与碱金属原子的电子自旋强耦合，进行角运动的测量，称为基于SERF的原子自 旋陀螺仪或SERF原子自旋陀螺仪。

实现自旋SERF态的原子在外界角速率的输入下会引起原子自旋的进动，通过线偏 振光与原子自旋进动的相互作用来提取原子自旋携带的角速率信息，从而实现对角速率 的测量。因此，SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法成为关键技术之一。原子 自旋进动的检测最终可以映射为线偏振检测激光的偏振面转角检测。目前，针对超高灵 敏SERF原子自旋陀螺仪、SERF原子磁强计的线偏振光转角检测方法，主要包括三种： 差分偏振法、法拉第调制法以及电光调制法。

差分偏振法由于缺乏调制作用，当待测原子自旋进动角为低频信号时，检测系统的 1/f等噪声较大，系统的信噪比较差。法拉第调制法虽然具有高灵敏度的优点，同时也 带来了标度因数需要精确稳定等难点，以及法拉第调制器产生的调制幅度是采用功率放 大器将电流加载在法拉第调制线圈上，通过交变磁场驱动法拉第晶体得到。这一方法使 得检测回路中产生较高的温度和较大磁场，对温度和磁场的精确控制带来了难度。电光 调制法与法拉第调制法类似，采用电光调制代替法拉第调制，在系统输出中依然包含光 强和调制幅度这些标度因数，需要对它们进行精确的闭环控制以提高检测系统的精度。 但是，电光调制器产生的调制幅度通过电压放大器的输出电压加载在电光晶体上得到， 使得电光调制器相比于法拉第调制器不额外产生较高的温度和较大的磁场。除此之外， 在实际应用中还存在以下误差：起偏器和检偏器的光轴相互位置受机械形变等影响而漂 移，存在非正交角度，定义为γ；光学元件的磁光效应会产生误差转角，定义为ε；气 流的扰动、温度的变化会改变检测光路附近的空气折射率，引起线偏振光的偏振面旋转， 定义为τ。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述三种检测方法的不足，提供一种SERF原子自旋陀螺 仪原子自旋进动的检测方法，该方法采用双光束闭环光电调制检测方法，不仅可以有效 隔离上述标度因数的影响，还能在原理上隔离上述误差对检测系统精度的影响。

本发明采用的技术方案为：一种SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法， 包括下列步骤：

(1)检测激光通过分束镜和反射镜分成平行出射的两束光，通过同一个起偏器后， 初始光强分别为I_o1和I_o2；

(2)这两束检测激光通过同一个1/4玻片和电光调制器，该调制器由锁相放大器和 电压放大器驱动，调制频率为ω、调制幅度为A；

(3)两束检测激光中的一束入射碱金属气室，与原子自旋进动相互作用产生转角θ， 另一束不与碱金属气室发生作用；

(4)步骤(3)之后，两束检测激光通过同一个1/4玻片和闭环电光执行器，该执 行器对两束检测激光产生转角α₁；

(5)经过碱金属气室的检测激光单独通过第二个1/4玻片和闭环电光执行器，获得 转角α₂；

(6)采用同一个检偏器进行信号的检偏，透过检偏器的两束检测激光，分别被两个 光电探测器吸收得到光强I₁和I₂；

(7)锁相放大器解调上述信号分别得到I_ω1和I_ω2；

(8)分别采用PID控制器1和PID控制器2对I_ω1和I_ω2进行闭环控制，使这些参 数始终保持为零；通过PID控制器2得到的控制角度α₂，即为检测系统的最终输出。

作为优选，所述电光调制器产生的调制幅度通过电压放大器的输出电压加载在电光 晶体上得到，使得电光调制器不额外产生较高的温度和较大的磁场。因此，电光调制检 测方法降低了系统的实现复杂程度和控制难度，有利于系统的集成化和小型化。

作为优选，所述电光调制器选用消光比较小的电光晶体材料。电光晶体的消光比会 引入常值偏置，并且正比于消光比的大小，当常值偏置较小时对光电探测器的测量范围 影响微乎其微，保证了光电探测器的灵敏度。

有益效果：本发明通过双光束闭环光电调制检测方法检测SERF原子自旋陀螺仪的 原子自旋进动，不仅可以有效隔离标度因数的影响，还能在原理上隔离实际应用中存在 的误差对检测系统精度的影响。因此该检测方法具有较高的灵敏度，可以在整体上有效 地提高SERF原子自旋陀螺仪的测量精度。

附图说明

图1为SERF原子自旋陀螺仪的一般原理示意图；

图2为双光束闭环电光调制检测方法原理示意图；

图3为基于双光束闭环电光调制检测方法的SERF原子自旋陀螺仪实验装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为SERF原子自旋陀螺仪的一般原理示意图。抽运光沿Z轴方向极化碱金属原子， 沿X轴的检测激光检测原子在y轴方向角速率的输入下引起的原子自旋进动。即SERF 原子自旋陀螺仪的敏感轴为垂直驱动与检测激光平面的方向。

本发明提出的一种SERF原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法，其检测原理示 意图如图2所示，主要由起偏器、检偏器、1/4玻片和电光调制器、光电探测器、锁相 放大器、电压放大器、PID控制器等组成。

首先，检测激光通过分束镜和反射镜分成平行出射的两束光，通过同一个起偏器后， 初始光强分别为I_o1和I_o2；这两束检测激光通过同一个1/4玻片和电光调制器，该调制 器由锁相放大器和电压放大器驱动，调制频率为ω、调制幅度为A；两束检测激光中的 一束入射碱金属气室，与原子自旋进动相互作用产生转角θ，另一束不与碱金属气室发 生作用；之后，两束检测激光通过同一个1/4玻片和闭环电光执行器，该执行器对两束 检测激光产生转角α₁；经过碱金属气室的检测激光单独通过第二个1/4玻片和闭环电光 执行器，获得转角α₂；采用同一个检偏器进行信号的检偏，透过检偏器的两束检测激光， 分别被两个光电探测器吸收得到光强I₁和I₂；

$\begin{array}{c}{I}_1=I_0·{\sin }^2\left(A\cos \omega t+{\alpha }_1+\gamma +ϵ+\tau \right)\\ I_2=I_0·{\sin }^2(Acos\omega t+\theta +{\alpha }_1+{\alpha }_2+\gamma +ϵ+\tau )\end{array}---\left(1\right)$

当α₁+γ+ε+τ、θ+α₁+α₂+γ+ε+τ与A的幅值均较小时，式(1)可以简化为：

$\begin{array}{c}{I}_1\approx I_0·{\left(A\cos \omega t+{\alpha }_1+\gamma +ϵ+\tau \right)}^2\\ I_2\approx I_0·{(Acos\omega t+\theta +{\alpha }_1+{\alpha }_2+\gamma +ϵ+\tau )}^2\end{array}---\left(2\right)$

通过锁相放大器的信号解调，可以提取光电探测器的输出信号I中，频率为ω的幅值大小：

$\begin{array}{c}{I}_{\omega 1}\approx 2I_{0}A({\alpha }_1+\gamma +ϵ+\tau )\\ I_{\omega 2}\approx 2I_{0}A(\theta +{\alpha }_1+{\alpha }_2+\gamma +ϵ+\tau )\end{array}---\left(3\right)$

将锁相放大器输出的I_ω信号输入PID控制器，从而控制闭环电光执行器产生的转角α。 在式(3)中，I_ω关于α是一个过零点的线性函数。因此，通过PID控制器控制转角α， 使锁相放大器的输出I_ω保持为零。得到两个PID控制器的输出表达式分别为：

$\begin{array}{c}{\alpha }_1=-(\gamma +ϵ+\tau )\\ {\alpha }_2=-(\theta +{\alpha }_1+\gamma +ϵ+\tau )\end{array}---\left(4\right)$

将式(4)中的α₁带入α₂，此时，待测转角θ由闭环电光执行器产生的转角α₂读出，

即：

α₂＝-θ(5)

该式即为检测系统所要得到的原子自旋进动信号。从式(5)中可以看到，输出结果仅 与待测角θ有关，而与I₀、A、γ、ε、τ等漂移不再相关，从而在原理上隔离了上述参 数的漂移对检测系统精度的影响。

图3是基于双光束闭环电光调制检测方法的SERF原子自旋陀螺仪实验装置示意图。 主要由碱金属气室、加热气室、磁屏蔽桶、磁补偿线圈、光抽运梁和光检测梁组成。碱 金属气室至于无磁的炉中通过热气流(或电流)加热，加热炉外围是三维主动磁补偿线 圈，装置通过四层圆柱形磁屏蔽桶实现磁屏蔽。抽运激光沿着Z轴方向，检测激光沿着 X轴方向，敏感Y轴的角速率。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施 方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实 施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。