一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法技术

一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，实现核自旋非极化梯度弛豫与极化梯度弛豫的分离测试。施加横向磁场使核自旋以纵向主磁场Bz为主轴进动，通过光学快门实现抽运光的打开与关闭，间隔固定时间快速打开抽运光极化碱金属电子自旋，以提取每个开光时间点的核自旋进动幅值。拟合各个时间点的核自旋进动幅值，即可得到当前工作状态下的核自旋横向弛豫率，通过优化测试参数(开光时间、开光间隔、抽运激光功率、Z向磁场Bz)，消除了抽运光对核自旋弛豫率的影响，开关抽运光测得的核自旋横向弛豫即为非极化梯度弛豫率。将非极化梯度弛豫率与连续抽运状态下的核自旋横向弛豫率相减，可得到各个连续抽运激光功率点下的极化梯度弛豫率。度弛豫率。度弛豫率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法


[0001]本专利技术涉及原子陀螺仪领域，特别是一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法。

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
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Exchange Relaxation
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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，其中原子自旋极化梯度弛豫是一项重要因素。SERF原子自旋惯性测量系统中，极化梯度的主要来源为碱金属原子极化时对于抽运光的吸收，光抽运率在沿着抽运光传播方向衰减，抽运率与电子弛豫率共同作用于电子极化率，因此在气室内出现极化梯度。通常SERF原子自旋惯性测量系统的工作温度点为170℃～200℃，此时原子对抽运光的吸收作用剧烈，气室内的极化梯度成为一项重要误差来源。
[0003]由于费曼接触作用，极化的惰性气体核自旋与碱金属电子自旋感受到彼此的磁场，因此当电子自旋极化率存在梯度时，核自旋感受到的磁场(电子极化等效磁场)存在梯度。在电子自旋极化梯度存在的情况下，不同位置处的核自旋感受到来自电子自旋的磁场不同，因此核自旋的进动频率也不同，核自旋的进动一致性变差。同时，电子自旋极化纵向梯度的存在将会导致核自旋横向弛豫，削弱核自旋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。进行气室内的核自旋横向弛豫测量，并分离出极化梯度弛豫项，评估气室内的极化梯度水平是抑制极化梯度的基础，为降低SERF原子自旋惯性测量系统的弛豫、增强磁补偿能力、提升核自旋磁场提供评估手段。
[0004]在SERF惯性测量装置中，针对抽运光对核自旋横向弛豫的影响，利用光学快门实现抽运光路的打开与关闭，间隔固定时间打开抽运光，提取核自旋进动幅值后迅速关闭，提取当前点的核自旋进动幅值，拟合得到核自旋横向弛豫率。并通过优化测试参数(开光时间、开光间隔、抽运激光功率、Z向磁场Bz)，消除短暂开光时抽运光对核自旋横向弛豫率的影响，优化参数后测得的核自旋横向弛豫为非极化梯度弛豫率。将非极化梯度弛豫率与连续抽运状态下的核自旋横向弛豫率相减，可得到各个连续抽运激光功率点下的极化梯度弛豫率。为气室内的非极化梯度弛豫率以及极化梯度水平评估提供了测量方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中存在的不足，提供一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：
[0007]一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1，在原子自旋惯性测量装置中初始设定工作点参数，所述工作点参数包括气室温度与抽运激光功率，利用抽运激光极化碱金属气室中的碱金属电子，进而超极化惰性
气体核自旋；
[0009]步骤2，主磁场方向施加大于补偿点的Z向磁场Bz，使得电子自旋与核自旋之间进动解耦；
[0010]步骤3，在横向施加Y向磁场By后去除，使得核自旋以Bz的方向为轴进动，核自旋在X向与Y向有投影，测量核自旋横向极化率分量的初始进动幅值；
[0011]步骤4，关闭抽运激光，电子退极化，核自旋在无抽运激光作用下自由进动衰减，此时核自旋的横向弛豫时间仅与非极化梯度弛豫项有关；
[0012]步骤5，间隔固定时间，打开抽运激光极化电子自旋，提取当前时间点的核自旋进动幅值，在开光期间电子迅速极化，极化的电子自旋随着核自旋的进动而进动，通过电子自旋横向极化率提取核自旋信号，得到当前核自旋进动幅值；
[0013]步骤6，数据提取拟合。提取每个开光周期的核自旋进动幅值，拟合得到当前状态下的核自旋横向弛豫率。
[0014]还包括步骤7，优化测试参数，所述测试参数包括开光时间、开光间隔、抽运激光功率、和Z向磁场Bz，在开光时间大于电子自旋纵向弛豫时间的前提下减小开光时间，增大开关抽运激光的时间间隔，减小抽运激光功率，增大主磁场Bz直至核自旋横向弛豫率不随上述参量的变化而减小，对应的各项参数即为优化后的测试参数。
[0015]还包括步骤8，基于优化测试参数，测得的核自旋横向弛豫率为非极化梯度弛豫率，测试连续抽运激光作用下的横向弛豫率，二者的差值为连续激光工作点处的极化梯度弛豫，计算不同功率点的极化梯度弛豫。
[0016]所述步骤7中的开光时间和开光间隔通过在碱金属气室抽运光输入侧的抽运激光光路上设置光学快门实现。
[0017]所述步骤1中的原子自旋惯性测量装置包括依次串联的抽运激光器、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，所述反射镜依次通过第一波片和第一分束镜透射侧连接光学快门的一侧，所述光学快门的另一侧通过碱金属气室连接第二光电探测器，所述第二光电探测器连接信号采集系统第一输入端口，第一分束镜反射侧通过第一光电探测器和功率控制系统连接所述液晶。
[0018]所述步骤1中的原子自旋惯性测量装置包括依次串联的检测激光器、第三偏振片、第二波片、第二分束镜透射侧、碱金属气室、第四波片和沃拉斯顿棱镜连接第一差分光电探测器，所述第一差分光电探测器连接信号采集系统第三输入端口，第二分束镜反射侧通过第三光电探测器连接信号采集系统第二输入端口。
[0019]所述步骤1中的碱金属气室外围向外依次设置加热膜、线圈、铁氧体和屏蔽筒。
[0020]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，利用光学快门实现抽运光的开关，测得气室内的核自旋横向弛豫(包含非极化梯度弛豫与极化梯度弛豫)，通过对系统参数进行优化设置，可剔除抽运光对核自旋的影响，分别得到核自旋的非极化梯度弛豫率与极化梯度弛豫率。本方法不需要施加额外的激光，可实现核自旋非极化梯度弛豫的原位测量，间隔固定时间打开抽运光即可测试，对SERF惯性测量系统得影响小。
附图说明
[0021]图1为实施本专利技术一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法的流程示意图。图1中包括如下步骤：步骤1，初始设定气室温度与抽运激光功率等工作点参数，利用抽运激光极化碱金属电子，进而超极化惰性气体核自旋，使得系统处于极化完成状态；步骤2，主磁场方向施加大于补偿点的磁场Bz，使得电子自旋与核自旋之间进动解耦；步骤3，在Y向施加磁场后去除，核自旋以Bz为轴进动，核自旋在X向与Y向有投影，测量核自旋初始进动幅值；步骤4，关闭抽运光，电子退极化，核自旋在无抽运激光状态下进动衰减，此时核自旋的横向弛豫时间仅与非极化梯度弛豫项有关；步骤5，间隔固定时间，打开抽运光极化电子自旋，提取当前时间点的核自旋进动幅值，在开光期间电子迅速极化，极化的电子自旋随着核自旋的进动而进动，通过电子自旋横向极化率提取核自旋信号，得到当前核自旋进动幅值；步骤6，提取每个开光时间点的进动幅值，直至幅值为0，拟合得到核自旋横向弛豫率；步骤7，优化测试参数，开光时间大于电子自旋纵向时间即可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在原子自旋惯性测量装置中初始设定工作点参数，所述工作点参数包括气室温度与抽运激光功率，利用抽运激光极化碱金属气室中的碱金属电子，进而超极化惰性气体核自旋；步骤2，主磁场方向施加大于补偿点的Z向磁场Bz，使得电子自旋与核自旋之间进动解耦；步骤3，在横向施加Y向磁场By后去除，使得核自旋以Bz的方向为轴进动，核自旋在X向与Y向有投影，测量核自旋横向极化率分量的初始进动幅值；步骤4，关闭抽运激光，电子退极化，核自旋在无抽运激光作用下自由进动衰减，此时核自旋的横向弛豫时间仅与非极化梯度弛豫项有关；步骤5，间隔固定时间，打开抽运激光极化电子自旋，提取当前时间点的核自旋进动幅值，在开光期间电子迅速极化，极化的电子自旋随着核自旋的进动而进动，通过电子自旋横向极化率提取核自旋信号，得到当前核自旋进动幅值；步骤6，数据提取拟合。提取每个开光周期的核自旋进动幅值，拟合得到当前状态下的核自旋横向弛豫率。2.根据权利要求1所述的基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，其特征在于，还包括步骤7，优化测试参数，所述测试参数包括开光时间、开光间隔、抽运激光功率、和Z向磁场Bz，在开光时间大于电子自旋纵向弛豫时间的前提下减小开光时间，增大开关抽运激光的时间间隔，减小抽运激光功率，增大主磁场Bz直至核自旋横向弛豫率不随上述参量的变化而减小，对应的各项参数即为优化后的测试参数。3.根据权利要求2所述的基于开关抽运光的核自旋横向弛豫率测量方法，其特征...

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