光学抖动的原子陀螺罗盘制造技术

本发明专利技术涉及光学抖动的原子陀螺罗盘。提供了用于光学抖动的原子陀螺罗盘的系统和方法。在一个实施例中，惯性传感器包括：真空室，其包含激光冷却碱金属原子的云，其中原子在重力的影响下自由下降；第一组激光源，其沿第一轴将第一组激光束施加到所述云中；第二组激光源，其沿第二轴将第二组激光束施加到所述云中；其中第一组和第二组激光束施加相干的激光脉冲，所述相干的激光脉冲沿限定平面的轨迹分离所述原子的波函数，所述平面对于绕着与所述平面正交的轴的旋转是敏感的；以及其中所述第一和第二组激光源通过相对于第二激光束调制第一激光束的相对幅度来将抖动施加到所述轴。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】光学抖动的原子陀螺罗盘
技术介绍
通过使用陀螺仪操作寻北陀螺罗盘来测量地球的旋转速率。由于地球的旋转速率 是既恒定又已知的值，由陀螺仪所测量的感知旋转速率可以用于确定陀螺仪感测轴和地球 自旋所围绕的轴之间的角度未对准。如果利用了三个正交取向的陀螺仪的三元组（triad)， 每一个陀螺仪将测量地球的旋转向该陀螺仪的感测轴上的投影。通过利用这三个投影，寻 北罗盘可以指示哪个方向是北。陀螺仪通常展现出一定量的偏离误差。也就是说，即使在 没有旋转发生时，它们也将测量一定的旋转速率。既准确又稳定（并且因此固有地经受相 对很少的偏离误差）的陀螺仪趋于是大的、重的、并且消耗大量的功率。因此，它们并不很 好地适合于与诸如远程定标应用之类的应用所期望的微型、拆卸式陀螺罗盘一起使用。 微机电（MEMS)陀螺仪代表用于生产小型、轻量级且低功耗陀螺仪的一种技术。良 好的加速计可以连同陀螺仪一起使用，通过将陀螺仪的感测轴指向地球中心来消除一个自 由度。抖动（dithering)技术也已经发展，以减轻这些MEMS设备中的偏离误差并且解决其 他自由度。也就是说，MEMS陀螺仪沿其相对于所估计的北向的感测轴在设定调制频率处机 械振荡。此运动导致MEMS陀螺仪产生在时间上调制的旋转速率输出信号。通过解调该信 号，偏离误差被去除并且可以获得地球旋转速率的测量结果。然而，此抖动的实现方式涉及 到在包括旋转台的平台上安装每一个MEMS陀螺仪。因此，MEMS陀螺仪的机械抖动引入附 加移动部件，该附加移动部件受到磨损、机械故障以及随时间推移变化的性能特性的影响。 由于上述原因以及由于将在阅读和理解本说明书时对于本领域技术人员而言变 得显而易见的下述其他原因，本领域中需要改进的用于光学抖动原子陀螺罗盘的系统和方 法。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了用于光学抖动原子陀螺罗盘的方法和系统，并将将通过阅 读和研究以下说明书而被理解。 提供了用于光学抖动原子陀螺罗盘的系统和方法。在一个实施例中，一种光学抖 动的原子惯性传感器包括：真空室，其包含激光冷却碱金属原子的原子云，其中所述碱金属 原子在重力的影响下自由下降；第一组激光源，被配置成沿第一轴将第一组激光束施加到 所述原子云中；第二组激光源，被配置成沿第二轴将第二组激光束施加到所述原子云中； 其中所述第一组激光束和第二组激光束将一系列相干的激光脉冲施加到所述原子云中，所 述一系列相干的激光脉冲沿限定感测平面的轨迹分离所述碱金属原子的量子力学波函数， 所述感测平面对于绕着与所述感测平面正交取向的感测轴的旋转是敏感的；以及其中所述 第一组激光源和第二组激光源通过相对于所述第二组激光束调制所述第一组激光束的相 对幅度来将抖动运动施加到所述感测轴。【附图说明】 当按照优选实施例的描述和以下附图来考虑时，本专利技术的实施例能够被更容易地 理解并且本专利技术的其他优点和用途会更显而易见，在附图中： 图1是图示出本公开的一个实施例的光学抖动的原子惯性传感器的示图。 图2是图示出由本公开的一个实施例的量子力学波函数的分离所限定的旋转感 测轴的示图。 图3A-3C是图示出本公开的一个实施例的旋转感测轴的光学抖动的示图。 图4和图5是图示出本公开的一个实施例的光学抖动的原子惯性传感器的示图； 以及 图6是图示出本公开的一个实施例的包括一对光学抖动的原子惯性传感器的设 备的示图。 依照一般惯例，各种所描述的特征未按比例绘制，而是被绘制为强调与本专利技术相 关的特征。附图标记遍及附图和正文表示相同的元素。【具体实施方式】 在下面的详细描述中，对形成其一部分的附图做出参考，并且其中以本专利技术可以 实践于其中的具体说明性实施例的方式来示出。这些实施例被充分详细描述以使本领域技 术人员能够实践本专利技术，并且将理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本专利技术 的范围的情况下做出逻辑、机械和电学上的改变。因此，以下的详细描述并非以限制性意义 来进行。 本公开的实施例通过公开用于原子传感器陀螺仪的抖动技术来解决对于用于诸 如陀螺罗盘定向（gyrocompassing)之类的应用的微型化精确且稳定的陀螺仪的需求。也 就是说，本公开提供了用于通过以下方式以虚拟意义旋转原子陀螺仪内的光学器件的系统 和方法：电学地转动光被施加到该陀螺仪内的原子所沿的矢量。对于陀螺仪的输出信号的 得到效果是与将通过机械抖动所获得的效果相同的。陀螺仪的输入轴被调制，从而产生在 时间上调制的旋转速率输出信号。通过解调该信号，去除了偏离误差并且能够获得沿感测 轴的地球旋转速率的测量结果。如以下详述的，该抖动是在不引入对于移动部件的需求的 情况下被实现的。 图1是图示出本公开的一个实施例的光学抖动的原子惯性传感器100的操作的简 化图。在这种原子陀螺仪的操作中，诸如通过激光冷却来创建冷原子的样本（在110处示 出）。这个冷原子样本在此被称为冷原子云110。在一些实施例中，冷原子云110被维持 在真空室112内部。原子云110的原子通常是碱金属原子并且在一些实施例中，云110可 以包括铷或铯原子。在一个实施例中，激光冷却将云110的原子冷却至大约10微开尔文的 温度。一旦被冷却，冷原子云110被释放并被允许以图2中所示的方式在重力的影响下下 降并且受到来自激光源121-124的光学脉冲的影响以形成惯性传感器。激光源121和122 相互对准以沿第一轴从相对方向将第一组激光束施加到云110中。激光源123和124相互 对准以沿第二轴从相对方向将第二组激光束施加到云110中，其中该第二轴与该第一轴正 交。在替代实施例中，在此讨论的任意激光源可以通过使用分布式布拉格反射器（DBR)、垂 直腔面发射激光器（VCSEL)、或类似的激光发射设备来实现。在一些实施例中，激光源可以 是激光产生设备本身，或者可以仅输出从激光生成设备引导到它们的激光（诸如例如经由 分束器和/或反射镜），该激光源与该激光生成设备光学连通。 图2是以200 -般地图示出通过原子云110中的每个原子的量子力学波函数的分 离所限定的旋转感测轴的示图。如所提及的，允许原子云110的原子在重力（由201所指 示）的影响下下降，使得针对每个原子的初始波函数一直遵循原始轨迹210。在一个实施例 中，由激光源121-124将三个光脉冲施加到云110上以向原子给予动量。第一光脉冲将云 110中的每个原子的初始量子力学波函数分尚成两部分，在图2中不为110-A和110-B。发 生在时间τ。处的第一脉冲的施加限定了分离点205。第一脉冲向云110中的每个原子的 第一半部110-Α上给予动量，该动量使其波函数的一半在空间上分离并且行进与其另一半 部110-Β不同的轨迹。由第一半部110-Α行进的脱离轨迹在212处当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学抖动的原子惯性传感器(100)，所述惯性传感器(100)包括：真空室(112)，其包含激光冷却碱金属原子的原子云(110)，其中所述碱金属原子在重力的影响下自由下降；第一组激光源(121，122)，被配置成沿第一轴将第一组激光束(310)施加到所述原子云(110)中；第二组激光源(123，124)，被配置成沿第二轴将第二组激光束(320)施加到所述原子云(110)中；其中所述第一组激光束(310)和第二组激光束(320)将一系列相干的激光脉冲施加到所述原子云(110)中，所述一系列相干的激光脉冲沿限定感测平面(240)的轨迹分离所述碱金属原子的量子力学波函数，所述感测平面(240)对于绕着与所述感测平面(240)正交取向的感测轴(230)的旋转是敏感的；以及其中所述第一组激光源(121，122)和第二组激光源(123，124)通过相对于所述第二组激光束(320)调制所述第一组激光束(310)的相对幅度来将抖动运动施加到所述感测轴(230)。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R·坎普顿，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US