一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法

摘要

本发明涉及一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法，在含多反射腔的气室中充入碱金属原子和氙气的两种同位素气体。通过极化碱金属原子的自旋交换碰撞将极化传递给惰性气体原子的核自旋。惰性气体原子由激励磁场连续驱动，其频率通过锁相环保持共振，实现陀螺仪的闭环工作。在原子池中引入Herriott多反射腔提高系统的灵敏度，同时可以避免额外调制磁场的引入的干扰，从而提高系统的稳定性。利用内置的铷原子磁力仪获取氙原子的核自旋信号，得到核自旋测到的转动信息，实现陀螺仪的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及原子器件领域，具体地说是一种基于核磁共振技术，利用多反射腔来提高灵敏度和系统稳定性的核磁共振陀螺仪及实现方法。

背景技术

陀螺仪作为惯性测量的核心部件，一直以来受到了广泛的关注，在军事以及民用领域都有着巨大的需求。其中，原子陀螺仪近些年发展迅速，性能以及实用性等方面都有了快速的进步。在基础物理研究，与惯性测量密切相关的航空，航天，航海以及交通导航等领域都有着很好的应用前景。目前在原子陀螺仪领域主要分为利用原子自旋和原子干涉的陀螺仪。利用原子自旋相关的陀螺仪，可以分为补偿型陀螺仪和核磁共振陀螺仪等。补偿型陀螺仪实验装置复杂，数据处理繁琐，在未来的小型化和实用化过程中可能会遇到众多困难。核磁共振陀螺仪则有可能解决这些问题，但是，核磁共振陀螺仪也遭遇了其他挑战。

核磁共振陀螺仪是利用核自旋-碱金属系统来工作的，我们实验中采用Rb-

充入惰性气体原子后，碱金属原子的驰豫主要受限于其与惰性气体原子之间的碰撞。惰性气体原子核自旋共磁力仪的灵敏度受限于碱金属原子磁力仪的灵敏度，而碱金属原子磁力仪的灵敏度与其共振线宽成反比。目前提出的增加核自旋气体中碱金属原子的探测灵敏度的一些解决方案都需要结合大幅度高频率的磁场调制来实现自旋与环境的解耦，这会对系统带来很大的干扰，影响系统的稳定性。使用多反射腔这种被动的方法则可以在提高灵敏度的同时，大幅降低这种干扰。

从1979年开始，美国的Litton公司和Singer-Kearfott公司分别开展了基于

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法，具有结构简单、高灵敏度、高稳定性的优点。常规的实验为了提高灵敏度需要对主磁场施加额外的大幅磁场调制，影响系统的稳定性。本发明使用多反射腔这种被动的方法则在提高灵敏度的同时，大幅降低这种干扰。其典型参数可以达到：角度随机游走和漂移稳定性分别为0.09°/h

本发明提供一种基于核磁共振以及多反射腔的核磁共振原子陀螺仪实现方案。在原子池中充入碱金属原子和惰性气体原子等，利用电子自旋极化核自旋，并且可以用碱金属原子作为内置磁力仪探测核自旋的进动信号。在垂直抽运光的方向上施加和惰性气体原子拉莫进动频率相等的激励磁场，用于驱动惰性气体原子的核自旋。在原子池中引入Herriott多反射腔提高灵敏度和稳定性，线偏振探测光在多反射腔中经21次反射后出射，使用差分光电探测器接收探测光。可以通过锁相环回路将相位信号反馈给激励磁场的频率，从而实现闭环操作。利用内置的碱金属原子磁力仪获取惰性气体原子的核自旋信号，得到转动信息，实现陀螺仪的功能。

本发明的一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，包括：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器及频率测量采集系统；

含有Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元放置在坡莫合金制成的磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；

加热单元，对含有Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热，使原子处于一个稳定的高原子数密度下；加热单元要对含有Herriott多反射腔的原子池进行加热，因为碱金属原子在常温下的原子数密度是相对较低的，磁力仪探测灵敏度以及超极化氙气的程度都较弱。一般系统需要工作在110℃左右的温度来获得足够大的信噪比。加热单元是两块无磁加热片组成，由高频交流电实现加热，两片加热片分别紧贴在原子池上下两面，利用3D打印的盒子把原子池和加热片装在一起；

磁场单元包含X、Y和Z三个方向的磁场线圈，分别用来提供陀螺仪工作所需的偏置磁场和激励磁场，其中偏置磁场用来定义系统的极化轴方向，抽运光持续对铷原子进行极化，通过碰撞把极化传递给氙原子，由Z方向磁场单元施加偏置磁场；偏置磁场和抽运光的方向一致，原子的极化沿着抽运光的方向，同时氙气的拉莫进动频率也由偏置磁场决定；在Y方向磁场单元施加的单一频率的交流激励磁场的驱动，部分氙气极化会以激励磁场的频率在垂直于偏置磁场的方向进动，陀螺仪闭环工作时Y方向的激励磁场由振荡器提供，X方向磁场是空置的，但是当探测光方向改变时，激励磁场就需要加在X方向上面，这里可以留作备用；含有Herriott多反射腔的原子池以及加热单元都是处于磁场单元的内部，原子池要尽量靠近磁场线圈的中心位置；

光电探测器的探测电路由两个光电探测器组成，它们分别测量探测光的两个线偏振分量光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的信号，这个信号是锁相放大器的输入信号；

锁相放大器包括锁相环和振荡器；锁相放大器对信号作相位灵敏探测，并对信号中的某个频率附近的部分进行分离探测；锁相放大器的参考信号一方面作为输出信号，来驱动氙气同位素进动；另一方面，它也作为参考信号来解调光电探测器的输出信号，解调后就可以获取氙同位素各自进动的相位和幅值信号；相位信号利用锁相环来做闭环锁定在设定的相位值，而这个闭环是通过锁相环输出给振荡器来调节激励磁场频率；

频率测量采集系统，对振荡器的输出频率进行测量，得出陀螺仪的转动信息。

所述Herriott多反射腔的前腔镜和后腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，两个腔镜均为柱面镜；玻璃罩是在腔镜键合在硅片上面之后，再利用阳极键合的方法实现与硅片的密封，原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，全部的原子充入原子池中后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。

所述加热单元采用两片无磁加热片通过交流电来对原子池加热；在加热的同时需要保温材料将所述原子池中的原子气室部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需求，铷原子被抽运光极化后，通过碰撞将极化传递给氙气。

所述Herriott多反射腔在使用过程中要放入3D打印的盒子之中，3D打印能够精确地实现原子池位置的固定。如此一来就不需要繁琐的调节光路便可以开始实验。除此之外，3D打印和Herriott多反射腔的结合起来使用让实验系统的结构更加紧凑，为集成化和小型化提供可能。一般情况下，冲入碱金属原子和惰性气体原子的原子池中，碱金属磁力仪灵敏度会限制核自旋磁力仪的灵敏度，进而限制陀螺仪性能。实验中铷原子和氙气都处于阳极键合的Herriott多反射腔中，这样的目的是通过Herriott多反射腔增加探测光与铷原子的作用距离，提高信噪比，不必引入其他复杂的额外调制影响系统稳定性。

本发明的实现方法为：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元以及X、Y和Z方向的磁场单元都放置在五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶起到屏蔽外界杂散磁场的作用，其他的组成单元放置在平台上用以采集实验数据，然后再对数据进行处理；设计的无磁加热片通过交流电为原子加热，温度需要达到大约110℃，让原子处于一个稳定的高原子数密度下，得到足够高的信噪比；抽运光在原子陀螺仪的工作过程中要持续对铷原子进行极化，并且会通过碰撞把极化传递给氙原子，在Z方向磁场线圈上通过高稳定性的电流源，产生稳定的偏置磁场；在偏置磁场为160mG的工作条件下，极化的氙气原子被Y方向磁场单元施加的交流激励磁场的驱动，部分氙气的极化会以激励磁场的频率在垂直于偏置磁场的方向进动，当激励磁场的频率等于氙同位素的拉莫进动频率的时候，探测得到的核磁共振的信号是最大的；探测光经过多反射腔后增大了与原子的作用距离，铷磁力仪测得的氙进动信号通过碱金属原子与探测光的相互作用体现在探测光的偏振变化上，利用光电探测器系统将探测光信号转换为电信号，再进一步被锁相放大器分别以之前的激励信号作为参考信号来解调处理，解调出来的有氙气进动信号的幅值和相位信息，其中相位与激励磁场的频率之间呈色散关系；激励磁场频率与氙气拉莫进动频率共振点对应于色散曲线的中点，同时也是相对磁场变化最敏感的点，而且信号的响应也是最大的，将该点作为锁相环闭环锁定的设置点，利用锁相环的输出反馈控制激励场的频率，从而使系统处于闭环工作状态，这样外界的转动等效为偏置磁场的改变量，它的变化会引起锁相环闭环反馈信号的改变，振荡器输出的激励磁场频率也随之发生改变，这样在频率测量端去采集频率的反馈量即实现对于转动的探测，基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪的功能则实现完成。

本发明的优点和积极效果为：

(1)使用含有多反射腔的原子池，在保持系统小型化的同时可以有效提高碱金属磁力仪灵敏度。典型情况下，冲入碱金属原子和惰性气体原子的原子池中，碱金属磁力仪灵敏度会限制核自旋磁力仪的灵敏度，进而限制陀螺仪性能。

(2)使用含有Herriott多反射腔的原子池，使得核磁共振原子陀螺仪不需要附加额外的参数调制磁场，避免额外调制带来的干扰。

(3)在多反射腔的和3D打印的辅助下，本发明系统可以免去繁琐的光路调节，简化系统，为未来实现小型化核磁共振陀螺仪提供了便利。

(4)在本发明中，两种惰性气体原子(

(5)核磁共振陀螺仪利用锁相环技术不仅可以实现系统的闭环连续工作，还可以提高系统的工作带宽。

附图说明

图1为本发明的一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪的组成框图；

图2为含有Herriott多反射腔的原子池，其中：前腔镜1、后腔镜2、玻璃罩3、硅片4；

图3为抽运光和探测光以及激励磁场施加示意图；

图4为3D打印平台与原子池结合后的实物图，其中：探测光光纤输出头5、打印平台6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明的测试是在一个由坡莫合金制成的5层磁屏蔽桶中进行，磁屏蔽桶可以屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰。含有Herriott多反射腔的原子池是原子陀螺仪的核心部分，当原子陀螺仪工作时正是利用原子池内部的原子测量出转动信息。原子气室配合一个3D打印平台使用，这样省去光路调节的步骤。在实际工作中需要原子处于大约110℃，因为高温可以得到更大的信号，进而提高信噪比。为了达到这个工作温度，使用自主设计的两片无磁加热片通过交流电来对原子池加热。在加热的同时需要保温材料将原子气室部分包裹起来以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需求，铷原子被抽运光极化后，通过碰撞将极化传递给氙气。探测光是相对于铷原子D1线蓝失谐的线偏振光，通过多反射腔后，其与碱金属原子的作用距离增大。原理上实验信号来自探测光的法拉第旋光效应，探测光的偏振被光电探测器测量到，并把光信号变为电信号，光电探测器获取的信号会输入到锁相放大器。锁相放大器利用相位敏感探测技术解调出探测信号里调制频率为

所述Herriott多反射腔的前腔镜和后腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，两个腔镜均为柱面镜，间距19.2mm，主轴相对转角52.2°。玻璃罩是在腔镜键合在硅片上面之后，再利用阳极键合的方法实现与硅片的密封，原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，全部的原子充入原子池中后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。

所述加热单元采用两片无磁加热片通过交流电来对原子池加热；在加热的同时需要保温材料将所述原子池中的原子气室部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需求，铷原子被抽运光极化后，通过碰撞将极化传递给氙气。

使用含有多反射腔的原子池，在保持系统小型化的同时可以有效提高碱金属磁力仪灵敏度。一般情况下，冲入碱金属原子和惰性气体原子的原子池中，碱金属磁力仪灵敏度会限制核自旋磁力仪的灵敏度，进而限制陀螺仪性能。使用含有Herriott多反射腔的原子池，使得系统不需要附加额外的调制来提高测量的信噪比，避免额外调制带来的对系统稳定性的干扰。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

1.制作含有Herriott多反射腔的原子池并充入原子。在模具的辅助下，使用阳极键合的方法先把多反射腔的腔镜按照预先设计好的位置固定在原子池底部的硅片上，再利用相同的方法使玻璃罩与底部硅片键合为一个整体。键合完成后的原子池长宽高分别为30*18*17mm，其内部的Herriott多反射腔，使用的柱面镜直径12.7mm，厚度2.5mm，曲率半径100mm，两柱面镜间距19.2mm，主轴相对转角52.2°。前腔镜中心开2.5mm直径的小孔，探测光以水平5°的角度从小孔入射到多反射腔中，经21次反射后从相同的小孔出射。原子池中充入自然丰度铷原子(其中

2.抽运光和探测光光路系统。调节激光控制器使抽运光频率和经过缓冲气体氮气展宽后的铷原子D1线共振，再通过四分之一波片使其变为圆偏振光，之后通过原子池上以极化原子。使用光电探测器测量透射后的抽运光功率，用PID反馈的方法，控制抽运光的透射功率不变从而保证原子极化效果不变。探测光相对于铷原子D1线蓝失谐的线偏振光，失谐量优化使得相位噪声最小。探测光以垂直于抽运光方向射入原子气室内的多反射腔，经21次反射后出射，使用差分光电探测器接收探测光的信号。

3.主磁场和横向激励磁场。在磁场单元的Z方向磁场线圈上通过电流源加上合适大小的磁场，主磁场的大小在160mG。在Y方向上使用幅度大小不同射频激励磁场来驱动氙气同位素在垂直于磁场方向的进动。在

4.光电探测器采集数据，锁相放大器处理数据，振荡器输出激励磁场频率。光电探测器得到探测光信号后输入到锁相放大器中，锁相放大器的参考信号由内置的振荡器提供，它同时也提供驱动氙气同位素进动的激励场信号。锁相放大器输出的相位信息，可以输给锁相环用以实现闭环，当外界波动使激励磁场的频率偏离共振点后，锁相环的相位输出便会通过控制电路反馈给振荡器，用以改变激励磁场的频率，实现闭环操作。同时反馈的信号在有转动的条件下也会提供转动的信息，这样得到转动的角度，实现陀螺仪的功能。

5.原子陀螺仪工作过程。含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元以及X、Y和Z方向的磁场单元都放置在五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶可以起到屏蔽外界杂散磁场的作用，例如地磁场的影响便可以被很大程度的抑制掉，为内部原子提供一个纯净的磁场环境。其他的组成单元放置在平台上用以采集实验数据，然后再对数据进行处理。自己设计的无磁加热片通过交流电为原子加热，温度需要达到大约110℃，让原子处于一个稳定的高原子数密度下，保证足够高的信噪比。抽运光在原子陀螺仪的工作过程中要持续对铷原子进行极化，并且会通过碰撞把极化传递给氙原子，在Z方向磁场线圈上通过电流源输出额定大小的电流，那么偏置磁场也就产生了。在大小为160mG的条件下，极化的氙气原子受Y方向磁场单元施加的激励磁场的驱动，部分氙气的极化会以激励磁场的频率在垂直于磁场的方向进动，当激励磁场的频率大小分别等于氙同位素的拉莫进动频率大小的时候，核磁共振的信号最大。探测光经过多反射腔后增大了与原子的作用距离，它的作用是通过铷磁力仪测得的氙进动信号，利用光电探测器把探测光信号转换成电信号读取出来，获取的信号输出进入锁相放大器分别以激励磁场的频率作为参考频率来解调处理，解调出来的有氙气进动信号的幅值和相位信息。锁相放大器解调出的氙气进动信号的相位与激励磁场的频率之间呈色散关系。激励磁场频率与氙气拉莫进动频率共振点对应于色散曲线的中点，同时也是相对磁场变化最敏感的点，而且信号的响应也是最大的。将该点作为锁相环闭环锁定的设置点，使系统可以处于闭环工作状态。为了减少噪声来源，振荡器的信号输出被用作激励磁场，施加到Y方向磁场线圈上用以驱动氙原子。外界的转动可以等效为偏置磁场的改变量，转动会引起锁相环闭环反馈信号的改变，振荡器输出的激励磁场频率也随之发生改变。在频率测量端去采集频率的反馈量就可以实现对于转动的探测，如此以来基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪就可以测量转动信息，基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪的功能就实现了。

如图2所示，构成Herriott多反射腔的前腔镜1和后腔镜2通过阳极键合的方法固定在硅片4上，两个腔镜均为柱面镜，间距19.2mm，主轴相对转角52.2°。玻璃罩3是在腔镜键合在硅片4上面之后，再利用阳极键合的方法实现与硅片4的密封。原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，全部的原子充入原子池中后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。

图3展示了核磁共振陀螺仪的抽运光和探测光光路构成。抽运光首先耦合进入锥形放大器，可以增加抽运光的功率。抽运光功率的锁定可以利用抽运光通过原子池后的透射光大小的变化来实现。具体做法是利用透射光信号组成一个PID反馈系统，其反馈信号给锥形放大器用以保证原子极化的稳定。抽运光进入到原子池之前通过四分之一玻片变为圆偏振光用来极化原子。探测光由激光器发出后经声光调制器(AOM)后耦合进入光纤，之后再由光纤打入原子池中的Herriott多反射腔内，经过21次反射后出射，由偏振分束器分成两束，初始没有进动信号时，调整使得两束光大小相等，差分输出为零，差分输出作为两个锁相放大器的输入信号，实现差分探测。两个光电探测器输出之和作为反馈信号输入到PID控制器，用来控制声光调制器(AOM)锁定探测光光强。

图4展示了将原子池与3D打印平台6相结合，抽运光通过窗口打入到原子池中。探测光光纤输出头5是经过特殊设计的，由3D打印方法制作，集成了输出准直透镜，使得探测器经光纤输出后不再需要人为调整，可以直接使用。同时在3D打印技术的帮助下，可以准确的定义探测光和多反射腔之间的入射关系，这样就免去了繁琐的光路调节。