一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，包括测量敏感单元子系统，驱动激光子系统，检测光路子系统；其中，测量敏感单元子系统的功能是为惯性/磁场测量提供物理载体以及一定温度和补偿磁场的外界环境；驱动激光子系统的功能是沿着z轴极化气室中的敏感介质；检测光路子系统的作用是测量K、Rb原子稳定极化后使检测光产生的光旋角；由原子自旋进动模型利用两个光旋角可以分别解出K原子和Rb原子极化率在x轴的投影大小，据此投影即可解出磁场和角速度。本发明装置具有集成化程度高、实时性强的特点，可应用于惯性/磁场的高精度测量和导航中。
【专利说明】—种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁场测量的【技术领域】，具体涉及一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，可用于研究基于惯性和磁场组合的新型导航系统。
【背景技术】
[0002]高精度的导航以及极微弱的磁场测量技术是国民经济建设中的两种重要技术。目iu，陀螺仪精度难以提闻成为了制约导航系统性能提闻的关键。现有的闻精度陀螺仪主要有转子陀螺仪与光学陀螺仪，但遇到了精度进一步提高的技术瓶颈。随着量子调控技术的发展，基于原子自旋效应的惯性测量装置成为可能并得以原理验证，已经成为下一代超高精度惯性测量设备的发展方向，其基于原子自旋的定轴性和进动性测量角运动，具有超高精度、结构简单、体积小等优点。微弱磁场测量需要磁强计具有超高的灵敏度。目前，应用较为广泛的磁强计主要有磁通门磁强计、超导量子干涉磁强计和原子磁强计，其中原子磁强计的测量灵敏度极高，是磁场测量的重要发展方向。
[0003]基于原子自旋效应的惯性测量装置和磁场测量装置具有超高的预期灵敏度，国内外多家研究机构开展了相关实验研究工作，但将二者同时测量出来的装置却未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，本发明具有集成度高、实时性强的优点。
[0005]本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，包括测量敏感单元子系统1，驱动激光子系统2，检测光路子系统3 ;其中，测量敏感单元子系统的功能是为惯性/磁场测量提供物理载体以及一定温度和补偿磁场的外界环境；驱动激光子系统的功能是沿着z轴极化气室中的敏感介质；检测光路子系统的作用是测量K、Rb原子稳定极化后使检测光产生的光旋角；由原子自旋进动模型利用两个光旋角可以分别解出K原子和Rb原子极化率在χ轴的投影大小，据此投影即可解出磁场和角速度。
[0006]进一步的，所述的敏感单元子系统包括气室11、烤箱12、主动补偿磁线圈13，其中气室11中充入合适比例K-Rb-Ne作为测量敏感介质，烤箱12用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，主动补偿磁线圈13提供一个已知的外界磁场。
[0007]进一步的，所述的驱动激光子系统2包括驱动激光器21、驱动扩束镜22、驱动偏振片23、驱动1/4波片24，其中驱动激光器21产生与K原子Dl线对应的激光来抽运敏感单元中的K原子，进而由K原子通过自旋交换碰撞极化Rb原子，再由Rb原子通过自旋交换碰撞极化Ne原子。
[0008]进一步的，所述的检测光路子系统3包括检测激光器31、检测扩束镜32、检测偏振片33、检测1/4波片34、检测光35、保偏分光棱镜36、滤波片37、光电探测器38，其中检测激光器31产生白光检测光,该束白光通过气室后由保偏分光棱镜分成两束，一束由滤波片37滤去K原子D2线以外频率的光，再通过光电探测器38输出的电信号可计算出K原子的检测光产生的光旋角θκ，由另一束光路可得到Rb原子D2线检测光产生的光旋角0Kb。
[0009]进一步的，利用测得的光旋角θ κ，Θ Rb求出K原子和Rb原子极化率在χ轴的投影大小PxK、PxKb，根据K原子的自旋运动力学模型求出一个K原子极化率与磁场和角速度的函数关系Pxk = flx(By, Qy)，根据Rb原子与Ne原子耦合的自旋系综动力学模型求出一个Rb原子极化率与磁场和角速度的函数关系PxKb = f2x(By, Qy)，联立以上方程组可同时获得y轴方向角速度Ω y和磁场By，利用PyK = fly (Βχ, Ω χ)，PyEb = f2y (Βχ, Ω χ)可以同时获得χ轴方向角速度和磁场ωχ，βχ。
[0010]本发明的原理是:通过驱动激光抽运K原子，K原子通过自旋交换碰撞极化Rb原子，Rb原子与Ne原子的核自旋耦合，进一步极化核子，通过检测光路子系统获得K原子和Rb原子的光旋角后解出相应的极化率分量，由于K原子和Rb原子的极化率分量包含磁场和角速度信息，可以联立方程组同时求解角速度和磁场。
[0011]其中敏感单元子系统包含气室11、烤箱12、主动补偿磁线圈13，气室11中包含预先充入的合适比例的K-Rb-Ne，通常为少量K、适量Rb、大量Ne气体以及适量N2，烤箱12提供一定温度使Rb原子气体和K原子气体保持较大的密度比，主动补偿磁线圈可以产生一个很小的剩余磁场ABz使最终得到的磁场和角速度耦合项系数不为O以达到检测角速度和磁场的目的。
[0012]其中驱动激光子系统包含驱动激光器21、扩束镜22、偏振片23、1/4波片24和驱动激光，在ζ轴方向布置 驱动激光器，其频率相应K原子跃迁Dl线。激光将敏感单元中的K原子极化，K原子通过自旋交换碰撞将Rb原子迅速极化，进而Rb原子通过自旋交换碰撞极化Ne原子核。
[0013]其中检测激光子系统包含白光激光器31、扩束镜32、偏振片33、1/4波片34、保偏分光棱镜36、滤波片37、光电探测器38。其中检测光通过偏振片形成线线偏振光，沿着与ζ轴垂直的χ轴方向通过气室后由保偏分光棱镜分成两束，一束后面放相应K原子D2线的滤波片，由光电探测器给出的电信号可以计算出K原子的光旋角θκ;另一束后面放相应Rb原子D2线的滤波片，由光电探测器给出的电信号可以计算出Rb原子的光旋角0Kb。
[0014]其中原子自旋进动检测模型包括:白光检测光中相应K和Rb原子频率的光旋角9 K.9 Rb表达式:
【权利要求】
1.一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，其特征在于包括测量敏感单元子系统(1)，驱动激光子系统(2)，检测光路子系统(3);其中，测量敏感单元子系统的功能是为惯性/磁场测量提供物理载体以及一定温度和补偿磁场的外界环境；驱动激光子系统的功能是沿着z轴极化气室中的敏感介质；检测光路子系统的作用是测量K、Rb原子稳定极化后使检测光产生的光旋角；由原子自旋进动模型利用两个光旋角可以分别解出K原子和Rb原子极化率在X轴的投影大小，据此投影即可解出磁场和角速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，其特征在于:所述的敏感单元子系统包括气室(11)、烤箱(12)、主动补偿磁线圈(13)，其中气室(11)中充入合适比例K-Rb-Ne作为测量敏感介质，烤箱(12)用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，主动补偿磁线圈(13)提供一个已知的外界磁场。
3.根据权利要求1所述的一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，其特征在于:所述的驱动激光子系统(2)包括驱动激光器(21)、驱动扩束镜(22)、驱动偏振片(23)、驱动1/4波片(24)，其中驱动激光器(21)产生与K原子Dl线对应的激光来抽运敏感单元中的K原子，进而由K原子通过自旋交换碰撞极化Rb原子，再由Rb原子通过自旋交换碰撞极化Ne原子。
4.根据权利要求1所述的一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，其特征在于:所述的检测光路子系统(3)包括检测激光器(31)、检测扩束镜(32)、检测偏振片(33),检测1/4波片(34)、检测光(35)、保偏分光棱镜(36)、滤波片(37)、光电探测器(38)，其中检测激光器(31)产生白光检测光，该束白光通过气室后由保偏分光棱镜分成两束，一束由滤波片(37)滤去K原子D2线以外频率的光，再通过光电探测器(38)输出的电信号可计算出K原子的检测光产生的光旋角θ κ，由另一束光路可得到Rb原子D2线检测光产生的光旋角Θ Rb°
5.根据权利要求4所述的一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置，其特征在于:利用测得的光旋角θκ，0Kb求出K原子和Rb原子极化率在X轴的投影大小PxK、PxKb，根据K原子的自旋运动力学模型求出一个K原子极化率与磁场和角速度的函数关系Pxk =flx(By, Qy)，根据Rb原子与Ne原子耦合的自旋系综动力学模型求出一个Rb原子极化率与磁场和角速度的函数关系PxKb = f2x(By，Qy)，联立以上方程组可同时获得y轴方向角速度Ω y和磁场By，利用PyK = fly (Βχ, Ω χ)，PyEb = f2y (Βχ, Ω χ)可以同时获得χ轴方向角速度和磁场 Ωχ，Βχ°
【文档编号】G01C21/16GK103604429SQ201310586049
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】全伟, 李洋, 房建成, 袁珩, 万双爱, 李茹杰, 郑慧婕 申请人:北京航空航天大学