【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及原子自旋惯性测量，特别是一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，通过采用一束环形的左旋圆偏振激光来极化碱金属原子，在环形抽运光的中心位置引入一束线偏振光用于检测旋光角信号，由于被左旋圆偏振光极化的原子系综具有旋光效应，从而使得穿过气室的线偏振光偏振方向改变即产生旋光角，该旋光角的大小即为碱金属原子极化率的相对值，采用平衡差分偏振检测法检测该旋光角信号，利用平衡差分检测模块的输出电压信号与抽运光光强之间的强相关性，通过改变液晶相位延迟器的控制电压以调节抽运光光强，控制差分检测模块输出电压值保持不变，从而实现碱金属原子极化率实时原位闭环控制。该方法合理，实验操作简单，可以实现碱金属原子纵向极化率的实时原位闭环控制，有利于提高原子自旋惯性测量装置的长期稳定性。
技术介绍
1、随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，量子态的操控及测量技术得以不断的提升。量子精密测量是利用光、磁与原子的相互作用，实现对各物理量的超高精度测量，可大幅超过经典测量手段。基于无自旋交换弛豫(spin-exchange-relaxation-free，serf)技术的serf原子自旋惯性测量装置有望成为新一代高精度惯性测量传感器。对于现代惯性传感和导航系统来说，惯性测量装置的长期稳定性是一个重要的指标。碱金属原子的极化是限制惯性测量系统长期稳定性的一阶误差，因此碱金属原子极化率的实时原位闭环控制对提升原子惯性测量装置的长期稳定性具有重要意义，电子极化率的实时原位闭环控制方法值得进一步研究。目前，研究人员可以通过液晶相位延迟器研制了光强稳定控制
2、当前serf原子自旋惯性测量系统中，主要采用分光稳定技术，通过搭建基于液晶相位延迟器的光强稳定控制系统，直接提高分光的稳定性，间接控制主路光强，从而抑制碱金属原子极化率的波动。但该方法未能实现主路光强的直接控制，极大限制了对碱金属原子极化的稳定控制。另外采用的方法是通过施加调制磁场使电子自旋产生共振，锁定二次谐波共振振幅或相位来实现电子自旋极化率闭环控制，从电子自旋共振的一次谐波信号中提取陀螺信号。该方法需要引入磁场调制。使得测量系统无法处于正常工作状态。该方法在测量过程中可能会使系统弛豫。
3、综上，随着惯性测量装置追求更高的长期稳定性，碱金属原子极化率的波动带来的影响不可忽视，碱金属原子极化率的原位闭环控制值得进一步研究。目前的各种针对极化率的各种控制方法，还存在各种各样的缺陷或不足。本专利技术的核心为研究了一种基于serf惯性测量装置的碱金属原子极化率实时原位闭环控制方法。检测结果可以直接反映碱金属原子极化率的大小，可以实现实时在线原位测量，且不影响系统的工作状态。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术中的缺陷或不足，提出一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，通过采用一束环形的左旋圆偏振激光来极化碱金属原子，在环形抽运光的中心位置引入一束线偏振光用于检测旋光角信号，由于被左旋圆偏振光极化的原子系综具有旋光效应，从而使得穿过气室的线偏振光偏振方向改变即产生旋光角，该旋光角的大小即为碱金属原子极化率的相对值，采用平衡差分偏振检测法检测该旋光角信号，利用平衡差分检测模块的输出电压信号与抽运光光强之间的强相关性，通过改变液晶相位延迟器的控制电压以调节抽运光光强，控制差分检测模块输出电压值保持不变，从而实现碱金属原子极化率实时原位闭环控制。该方法合理，实验操作简单，可以实现碱金属原子纵向极化率的实时原位闭环控制，有利于提高原子自旋惯性测量装置的长期稳定性。
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特征在于，包括在碱金属气室的z轴入光侧设置四分之一波片+第四偏振分光棱镜的组合作为光隔离器，所述光隔离器将扩束抽运光调制为中心区域线偏振光和套接所述线偏振光的环形区域左旋圆偏振光，所述线偏振光为检测光，所述左旋圆偏振光为抽运光，所述碱金属气室的z轴出光侧通过第第五二分之一波片连接第五偏振分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜连接平衡差分检测模块，所述平衡差分检测模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器接收到透射线偏振光和透射左旋圆偏振光，所述第二光电探测器接收到反射线偏振光和反射左旋圆偏振光。
4、所述第四偏振分光棱镜的输入侧依次通过第四二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第三二分之一波片、液晶相位延迟器、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、凸透镜、第一偏振分光棱镜、第一二分之一波片和凹透镜连接激光器，所述第一偏振分光棱镜连接饱和吸收稳频系统。
5、所述第一光电探测器连接第一差分器的第一输入端，所述第二光电探测器连接所述第一差分器的第二输入端，所述第一差分器的输出端分别连接上位机和第二差分器的第二输入端，所述第二差分器的第一输入端连接设定值端，所述第二差分器的输出端通过电控单元连接液晶相位延迟器。
6、所述碱金属气室位于烤箱内，所述烤箱位于磁屏蔽桶内。
7、所述电控单元通过由数字微处理器、模数转换器adc和数模转换器dac的组合实现反馈信号的采集处理和比例积分微分pid控制，所述凹透镜与凸透镜的搭配实现抽运光扩束，所述平衡差分检测模块中的第一差分器输出电压信号与抽运光光强之间具有强相关性，通过第一差分器输出电压信号与期待差分检测电压值之间的误差信号改变液晶相位延迟器的控制电压以调节抽运光光强，控制差分检测模块输出电压值保持不变，从而实现碱金属原子极化率实时原位闭环控制。
8、被抽运光极化的原子系综具有旋光效应，所述旋光效应使检测光产生旋光角θ：
9、
10、i1＝i0cos2(θ-π/4)
11、i2＝i0sin2(θ-π/4)
12、i0＝i1+i2
13、i1-i2＝2i0θ
14、
15、其中π为圆周率，l是光在气室中的传播距离，n是原子密度，re是经典电子半径，c是光速，为z向原子极化率，f是原子振荡强度，ν是激光频率，νd1和νd2分别是原子d1线和d2线的共振频率，v(v-vd1)是基于d1线的洛伦兹色散函数，v(v-vd2)是基于d2线的洛伦兹色散函数，im表示洛伦兹色散函数虚部，i1是第一光电探测器接收到的检测光光强，i2是第二光电探测器接收到的检测光光强，i0是总的检测光光强，通过得到θ，通过θ得到
16、本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，属于一种基于左旋圆偏振光和线偏振光抽运的碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，采用中心区域为线偏振光、环形区域为左旋圆偏振光的抽运光极化原子系综，那么经过气室的左旋圆偏本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特征在于，包括在碱金属气室的z轴入光侧设置四分之一波片+第四偏振分光棱镜的组合作为光隔离器，所述光隔离器将扩束抽运光调制为中心区域线偏振光和套接所述线偏振光的环形区域左旋圆偏振光，所述线偏振光为检测光，所述左旋圆偏振光为抽运光，所述碱金属气室的z轴出光侧通过第第五二分之一波片连接第五偏振分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜连接平衡差分检测模块，所述平衡差分检测模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器接收到透射线偏振光和透射左旋圆偏振光，所述第二光电探测器接收到反射线偏振光和反射左旋圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特征在于，所述第四偏振分光棱镜的输入侧依次通过第四二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第三二分之一波片、液晶相位延迟器、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、凸透镜、第一偏振分光棱镜、第一二分之一波片和凹透镜连接激光器，所述第一偏振分光棱镜连接饱和吸收稳频系统。
...【技术特征摘要】
1.一种碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特征在于，包括在碱金属气室的z轴入光侧设置四分之一波片+第四偏振分光棱镜的组合作为光隔离器，所述光隔离器将扩束抽运光调制为中心区域线偏振光和套接所述线偏振光的环形区域左旋圆偏振光，所述线偏振光为检测光，所述左旋圆偏振光为抽运光，所述碱金属气室的z轴出光侧通过第第五二分之一波片连接第五偏振分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜连接平衡差分检测模块，所述平衡差分检测模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述第五偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器接收到透射线偏振光和透射左旋圆偏振光，所述第二光电探测器接收到反射线偏振光和反射左旋圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特征在于，所述第四偏振分光棱镜的输入侧依次通过第四二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第三二分之一波片、液晶相位延迟器、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、凸透镜、第一偏振分光棱镜、第一二分之一波片和凹透镜连接激光器，所述第一偏振分光棱镜连接饱和吸收稳频系统。
3.根据权利要求2所述的碱金属原子极化率实时原位闭环控制系统，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，马龙岩，葛笑含，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：
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