一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法制造方法及图纸

一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，通过以下步骤实现极化梯度弛豫测量，能够在原子自旋惯性测量装置中实现极化梯度的原位测量，为气室内部极化梯度的评估与抑制提供有力支撑：步骤1，固定原子自旋惯性测量装置的工作点参数以对角速率有响应信号；步骤2，碱金属电子自旋与惰性气体核自旋进动解耦；步骤3，利用自由进动衰减方法测试当前P1下的核自旋横向弛豫率R2；步骤4，测试核自旋横向弛豫中的非极化梯度弛豫项；步骤5，测试任意抽运激光功率点P的总横向弛豫，计算抽运激光功率点P的极化梯度弛豫，P点的极化梯度弛豫即为P点的总横向弛豫率与非极化梯度弛豫率的差值。点的总横向弛豫率与非极化梯度弛豫率的差值。点的总横向弛豫率与非极化梯度弛豫率的差值。

【技术实现步骤摘要】
一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法


[0001]本专利技术涉及原子陀螺仪领域，特别是一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法。

技术介绍

[0002]基于光磁与原子相互作用的无自旋交换弛豫(Spin
‑
Exchange Relaxation
‑
Free，SERF)原子自旋惯性测量装置具有超高的理论测量灵敏度，以其独特的体积和精度优势成为未来高精度惯性测量仪表的重要发展方向之一。原子自旋弛豫是SERF惯性测量装置中限制性能提升的重要误差源。SERF惯性测量装置中主要存在两类原子自旋：碱金属电子自旋与惰性气体核自旋。其中每种原子的弛豫时间(弛豫时间与弛豫率的数值互为倒数，弛豫时间单位：s，弛豫率单位：1/s)主要分为纵向弛豫时间T1与横向弛豫时间T2，纵向弛豫时间表征电子自旋磁矩在自旋极化方向消散的时间长度，横向弛豫时间表征电子在对应极化方向的横向平面内，在无外部作用时自旋磁矩自然消散的时间长度。在Y方向施加微小磁场偏置(2nT)后去除，使得核自旋绕主磁场进动，并以横向弛豫时间为特征时间绕主磁场方向自由进动衰减，测试不同激光功率下自由进动衰减信号，拟合可以得到对应功率点的核自旋横向弛豫率。其中，极化梯度弛豫是惰性气体核自旋横向弛豫的主要来源之一，原子自旋极化梯度主要由激光与原子相互作用时抽运光的衰减引起，是SERF惯性测量装置中难以避免的一项误差来源。原子自旋极化梯度会造成原子退相干，导致原子弛豫，降低系统灵敏度。同时，原子自旋极化梯度弛豫会影响惰性气体核自旋极化效率，削弱核子对外界磁场的自补偿能力，破坏系统的稳定性，限制系统性能提升。在SERF惯性测量装置中，对于原子自旋极化梯度弛豫的评估一直缺乏有效的评估方法，本专利技术提供了一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，为原子自旋极化梯度的表征和评估提供有力支撑。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中存在的不足，提供一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1，固定原子自旋惯性测量装置的工作点参数以对角速率有响应信号，所述工作点参数包括加热温度，和抽运激光功率点P1，所述加热温度是将碱金属气室加热至目标工作温度，所述功率点P1的抽运激光极化碱金属电子，进而超极化惰性气体核自旋，通过三轴磁场补偿使得装置工作在核自旋磁场自补偿点；
[0007]步骤2，碱金属电子自旋与惰性气体核自旋进动解耦；
[0008]步骤3，利用自由进动衰减方法测试当前P1下的核自旋横向弛豫率R2；
[0009]步骤4，测试核自旋横向弛豫中的非极化梯度弛豫项；
[0010]步骤5，测试任意抽运激光功率点P的总横向弛豫，计算抽运激光功率点P的极化梯
度弛豫，P点的极化梯度弛豫即为P点的总横向弛豫率与非极化梯度弛豫率的差值。
[0011]所述步骤2中包括在主磁场方向Z向施加偏置为磁场自补偿点十倍的磁场Bz，以使电子自旋与核自旋之间的进动解耦。
[0012]所述步骤3中包括在Bz的基础上，在Y向施加偏置磁场By＝2nT，核自旋极化率Pn绕主磁场方向进动，Pn在X方向上存在极化率投影Pnx，通过输出信号得到Pnx在X方向上变化的自由进动衰减曲线，拟合衰减曲线的包络，得到当前抽运功率点下的核自旋横向弛豫率R2。
[0013]所述步骤4中包括在P1的基础上快速降低抽运激光功率为P1点的50％，测试核自旋横向弛豫率R2，重复减小功率点为上一测试点的50％，直至随着抽运激光功率的减小R2趋向于不变；当抽运激光功率变化时，电子极化分布变化导致的核自旋弛豫改变，R2中的其他弛豫项不受抽运激光功率的影响，此时测得的横向弛豫为非极化梯度弛豫项。
[0014]所述其他弛豫项包括自旋碰撞弛豫R
sd
，电四极矩弛豫R
quad
，和自旋交换弛豫R
se
，所述自旋碰撞弛豫为Ne原子之间的碰撞弛豫，所述自旋交换弛豫为惰性气体Ne原子与碱金属电子之间的自旋交换弛豫：
[0015][0016]其中T2为核自旋横向弛豫时间，为电子自旋极化梯度弛豫；
[0017][0018]其中p
Ne
为气室气压；
[0019][0020][0021][0022]其中分别为Rb、K原子对Ne原子的自旋交换弛豫，分别为Ne原子与Rb、K原子之间的交换碰撞系数，n
K
、n
Rb
分别为K、Rb原子的密度；
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]其中，分别为Rb对Ne、Ne对Rb、K对Ne、Rb对Ne的自旋碰撞弛豫。n
K
、n
Rb
、n
Ne
分别为K、Rb、Ne原子的密度，υ
NeRb
、υ
NeK
分别为Ne原子与Rb、K原子之间的自旋碰撞速度；
[0029][0030]其中，Rp为抽运率，T为温度，α为与抽运功率无关的系数，D
n
为惰性气体Ne在气室内的扩散系数，d为气室直径，n
K
表示碱金属K原子的密度，W为朗伯函数，R
rel
为碱金属电子弛豫率，R
p0
为入射点的抽运率，e为自然常数，为极化梯度，σ
v
为光子吸收截面积。
[0031]所述原子自旋惯性测量装置包括抽运激光器和检测激光器，所述抽运激光器顺序连接第一凸透镜、第一偏振片、液晶、第二偏振片、第二凸透镜和反射镜，所述反射镜通过第一1/2波片连接第一分束镜，所述第一分束镜的透射侧依次通过1/4波片和气室连接第四光电探测器，所述第一分束镜的反射侧依次通过第一光电探测器、功率控制系统连接液晶，所述检测激光器顺序连接第三偏振片、第二1/2波片、第二分束镜、气室、沃拉斯顿棱镜和第二光电探测器，所述第二光电探测器与信号采集系统相连，第二分束镜的反射端连接第三光电探测器，第三光电探测器和第四光电探测器分别连接信号采集系统，所述气室外围自内向外依次设置有加热膜、线圈、铁氧体和屏蔽筒。
[0032]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，可以准确测试不同抽运光功率工作点下的极化梯度弛豫，对气室内部的极化梯度水平进行评估。当气室温度与气室内密度比、气压等参数固定时，只需要进行一次非极化梯度弛豫项的标定(更改3～5个抽运功率点，进行快速测量R2)，并进行当前抽运功率工作点R2的测试，即可计算得到当前工作点下的极化梯度弛豫。与传统的梯度线圈补偿磁场梯度、阵列检测光测量电子极化率梯度的方法相比，本专利技术提出的方法可以快速的测量并直接分离出极化梯度弛豫，该方法不需要加入额外的线圈或改变检测光路，可以在原子自旋惯性测量装置中实现极化梯度的原位测量，为气室内部极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，固定原子自旋惯性测量装置的工作点参数以对角速率有响应信号，所述工作点参数包括加热温度，和抽运激光功率点P1，所述加热温度是将碱金属气室加热至目标工作温度，所述功率点P1的抽运激光极化碱金属电子，进而超极化惰性气体核自旋，通过三轴磁场补偿使得装置工作在核自旋磁场自补偿点；步骤2，碱金属电子自旋与惰性气体核自旋进动解耦；步骤3，利用自由进动衰减方法测试当前P1下的核自旋横向弛豫率R2；步骤4，测试核自旋横向弛豫中的非极化梯度弛豫项；步骤5，测试任意抽运激光功率点P的总横向弛豫，计算抽运激光功率点P的极化梯度弛豫，P点的极化梯度弛豫即为P点的总横向弛豫率与非极化梯度弛豫率的差值。2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，所述步骤2中包括在主磁场方向Z向施加偏置为磁场自补偿点十倍的磁场Bz，以使电子自旋与核自旋之间的进动解耦。3.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，所述步骤3中包括在Bz的基础上，在Y向施加偏置磁场By＝2nT，核自旋极化率Pn绕主磁场方向进动，Pn在X方向上存在极化率投影Pnx，通过输出信号得到Pnx在X方向上变化的自由进动衰减曲线，拟合衰减曲线的包络，得到当前抽运功率点下的核自旋横向弛豫率R2。4.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，所述步骤4中包括在P1的基础上快速降低抽运激光功率为P1点的50％，测试核自旋横向弛豫率R2，重复减小功率点为上一测试点的50％，直至随着抽运激光功率的减小R2趋向于不变；当抽运激光功率变化时，电子极化分布变化导致的核自旋弛豫改变，R2中的其他弛豫项不受抽运激光功率的影响，此时测得的横向弛豫为非极化梯度弛豫项。5.根据权利要求4所述的原子自旋惯性测量装置极化梯度弛豫测量方法，其特征在于，所述其他弛豫项包括自旋碰撞弛豫R
sd
，电四极矩弛豫R
quad
，和自旋交换弛豫R
se
，所述自旋碰撞弛豫为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓，袁琳琳，高航，范文峰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：