自持再生式系统及拉莫尔进动自持再生方法与流程

本发明涉及角速度和磁场精密测量技术领域，更具体地涉及一种自持再生式系统及拉莫尔进动自持再生方法。

背景技术：

量子陀螺仪是一种导航仪器，可实现载体角速度的精密测量，而量子磁场计可实现绝对磁场的精密测量。近年来，由于二者具有精度高、易小型化等众多优势成为高精度惯性导航、精密测量领域的重要发展方向，并受到广泛关注。

目前现有的量子陀螺仪方案普遍具有量子相干时间较短、陀螺动态范围小等技术瓶颈，使得量子陀螺仪的指标依然不尽如人意。现有的磁场计也尚未达到理论预期精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要发明目的在于解决目前量子陀螺仪和量子磁场计自旋进动相干时间短的技术问题，提供一种延长原子自旋进动相干时间的量子陀螺仪和量子磁场计方案。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明公开了一种自持再生式系统，包括：

光泵与探测部，用于制备原子态及对原子拉莫尔进动进行探测；

原子气室与磁场和磁屏蔽部，用于提供工作原子及高稳定度、高均匀度的磁场环境；

控制电路部，用于控制泵浦光及探测光时序，维持原子拉莫尔进动，完成自持再生过程。

其中，所述光泵与探测部包括：

光泵光路部分，根据控制电路部的控制时序对原子态进行制备，维持原子拉莫尔进动；

光探测光路部分：探测原子的拉莫尔进动，探测信号进入控制电路部。

其中，所述光泵部还包括：

两台抽运激光器，用于对原子进行泵浦；

两套λ/2波片及偏振分束棱镜，用于将所述两台抽运激光器进行合束；

两个声光调制器，用于对抽运光的开关；

进入原子气室两束抽运光的偏振状态组合，用于高效率对原子进行泵浦。

其中，所述光泵与探测部还包括：抽运光及探测光合束及正交的光路结构，用于保证抽运及探测的原子是同一群原子。

其中，所述原子气室与磁场和磁屏蔽部包括碱金属原子气室，采用碱金属原子作为工作原子。

其中，所述碱金属原子气室为一个原子气室或分立的两个原子气室。

其中，所述控制电路部包括滤波放大器、过零比较器、rf信号源，用于处理光探测部探测到的信号，输出rf信号，控制光泵浦部声光调制器的开关。

其中，所述控制电路部还包括：混频器，用于混频探测器探测到的信号，得到量频率的高频及低频分量，低频部分即为陀螺仪及磁场计信号，高频分量用于锁定磁场。

其中，所述自持再生式系统为量子陀螺仪或量子磁场计。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种拉莫尔进动自持再生方法，包括以下步骤：

探测原子拉莫尔进动信号；

通过电路对信号进行处理，用输出信号控制泵浦光开关，实现拉莫尔进动自持再生。

基于上述技术方案可知，本发明提供了一种自持再生式系统及相应自持再生方法，可以完成碱金属原子拉莫尔进动自持再生，延长碱金属原子自旋进动相干时间，最终得到高精度、大动态范围的量子陀螺仪及高精度磁场计；相对于现有技术来说，本发明的系统和方法不仅可以在量子陀螺 仪和量子磁场计中实现碱金属原子拉莫尔进动自持再生，还可以在除此之外的其它原子实验系统中实现碱金属原子拉莫尔进动自持再生，因此本发明的技术方案解决了现有的原子实验系统中自旋进动相干弛豫时间快的瓶颈，大大延长了原子自旋进动相干时间，提高了系统的测量精度；通过本发明，可以显著提高量子陀螺仪精度和动态范围，同时可以测量磁场强度，显著提高磁场计测量精度。

附图说明

图1为本发明的自持再生式系统的结构示意图；

图2为本发明的光泵部的光路结构示意图；

图3为本发明的光探测部的光路结构示意图；

图4为本发明的原子气室与磁场和磁屏蔽部的结构示意图；

图5为本发明的原子时信号接收方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种自持再生式系统，包括：

光泵与探测部，用于制备原子态及对原子拉莫尔进动进行探测；

原子气室与磁场和磁屏蔽部，用于提供工作原子及高稳定度、高均匀度的磁场环境；

控制电路部，用于控制泵浦光及探测光时序，维持原子拉莫尔进动，完成自持再生过程。

其中，光泵与探测部包括：

光泵光路部分，根据控制电路部的控制时序对原子态进行制备，维持原子拉莫尔进动；

光探测光路部分：探测原子的拉莫尔进动，探测信号进入控制电路部。

光泵部还包括：

两台抽运激光器及两台激光器工作的频率范围，用于对原子进行泵浦；两套λ/2波片及偏振分束棱镜，用于将两台抽运激光器进行合束；两个声光 调制器，用于对抽运光的开关；进入原子气室两束抽运光的偏振状态组合，用于高效率对原子进行泵浦。

光泵与探测部还包括：抽运光及探测光合束及正交的光路结构，用于保证抽运及探测的原子是同一群原子。

原子气室与磁场和磁屏蔽部可以包括若干个原子气室，其中所述原子可以为任何能产生相关干涉的原子如碱金属原子、碱土金属原子等，优选为碱金属原子，进一步优选为铷或铯原子，用于作为工作原子。

优选地，采用碱金属原子气室，所述碱金属原子气室结构为一个原子气室或分立的两个原子气室，用于提高原子泵浦和探测效率。

控制电路部包括滤波放大器、过零比较器、rf信号源，用于处理光探测部探测到的信号，输出rf信号，控制光泵浦部声光调制器的开关。

控制电路部还包括：混频器，用于混频探测器探测到的信号，得到量频率的高频及低频分量，低频部分即为陀螺仪及磁场计信号，高频分量用于锁定磁场。

其中，该自持再生式系统为量子陀螺仪或量子磁场计

本发明还公开了一种碱金属原子拉莫尔进动自持再生方法，所述方法包括：

探测原子拉莫尔进动信号；

通过电路对信号进行处理，用输出信号控制泵浦光开关，实现拉莫尔进动自持再生。

该原子可以为任何能产生相关干涉的原子，优选为碱金属原子，进一步优选为铷或铯原子。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。

图1为本发明的自持再生式电子自旋陀螺仪和高精度磁场计的结构示意图。其包括光泵与探测部，用于制备原子态及对原子态演化进行探测；原子气室与磁场和磁屏蔽部，用于提供工作原子及高稳定度及高均匀度的磁场环境；控制电路部，用于控制泵浦光及探测光时序，完成自持再生过程。自持再生式电子自旋陀螺仪和高精度磁场计均可在此系统中实现，即一个系统实现两项仪器功能。

图2为本发明的光泵部的光路结构示意图。如图所示，作为本发明一个优选实施例，本发明的光泵部包括：第一抽运激光器101、第二抽运激光器102、第一激光光束103、第二激光光束104、第一λ/2波片105、第二λ/2波片106、第一偏振分束棱镜107、第二偏振分束棱镜108、第三偏振分束棱镜115、第四偏振分束棱镜118、第一反射镜组109、第二反射镜组110、第三激光光束111、第四激光光束112、第一声光调制器113、第二声光调制器114、第五激光光束116、第六激光光束117、第七激光光束119、第八激光光束120；第一λ/4波片121、第二λ/4波片124、第一宽带分束棱镜122、第二宽带分束棱镜125、第三反射镜组127、第四反射镜组128、第九激光光束123、第十激光光束126；第一激光光束103中心波长为碱金属原子的d1线；第二激光光束104中心波长为碱金属原子的d2线；第一激光光束103部分光束经第一λ/2波片105、第一偏振分束棱镜107、第一反射镜组109与第二激光光束104部分光束合束形成第三激光光束111；第二激光光束104部分光束经第二λ/2波片106、第二偏振分束棱镜108、第二反射镜组110与第一激光光束103部分光束合束形成第四激光光束112；第三激光光束111和第四激光光束112分别通过第一声光调制器113和第二声光调制器114，两个声光调制器的rf开关由控制电路部控制；第三激光光束111经第三偏振分束棱镜115分束称为第五激光光束116、第六激光光束117；第四激光光束112经第四偏振分束棱镜118分束称为第七激光光束119、第八激光光束120；第六激光光束117经第一λ/4波片121变为圆偏振光，并与第五激光光束116经第一分束棱镜122合束为第九光束123，进入碱金属气室，用于极化泵浦碱金属气室中的碱金属原子；第七激光光束119经第二λ/4波片124变为圆偏振光，并与第八激光光束120经第二分束棱镜125合束为第十光束126，进入碱金属气室，用于极化泵浦碱金属气室中的碱金属原子；第九激光光束123经第三反射镜组127、第十激光光束126经第四反射镜组128在平行于光路平面上重合，但在垂直于光路平面有光高差；第五激光光束116为线偏光；第八激光光束120为线偏光；

可选的，第九激光光束123、第十激光光束126光高差可以为0。

可选的，激光光束可以选用空间光或光纤进行连接。

图3为本发明的光探测部的光路结构示意图，如图所示，作为本发明的一个优选实施例，本发明的光探测部包括：第三探测激光器201、第十一激光光束202、第三λ/2波片203、第五偏振分束棱镜204、第五反射镜组205、第一起偏器206、第一检偏器207、第二检偏器208；第一平衡差分探测器209、第二平衡差分探测器210；第三探测激光器201产生的第十一激光光束202经第五偏振分束棱镜204分为第十二激光光束211和第十三激光光束212；第十二激光光束212经第五反射镜组204与第十三激光光束212在平行于光路平面上重合，在垂直于光路平面上有光高差，经第一起偏器206进入碱金属气室，用于探测碱金属气室中碱金属原子敏感到的载体角速度；第六反射镜213因光高差仅对第十二激光光束211和第十三激光光束212中的其中一束光有反射作用；第十二激光光束211和第十三激光光束212经第一起偏器206后进入原子气室部；出射光分别由第一检偏器207、第二检偏器208后被第一平衡差分探测器209和第二平衡差分探测器210探测，探测器输出信号至控制电路。

优选的，第九激光光束123、第十激光光束126与第十二激光光束211、第十三激光光束212光高差相等；第九激光光束123、第十二激光光束211光高相等、光束交汇且保持正交；第十激光光束126、第十三激光光束212光高相等、光束交汇且保持正交。

图4为本发明的原子气室与磁场和磁屏蔽部，如图所示，作为本发明的一个优选实施例，其包括第一碱金属原子气室301、第二碱金属原子气室302、加热腔303、磁补偿线圈304、磁屏蔽筒305；碱金属气室301、302位于磁补偿线圈304的中心；磁屏蔽筒305为碱金属气室提供弱磁场环境；加热腔303通过顶部管道接受热空气306加热，为碱金属原子气室301、302提供高温环境；磁补偿线圈304产生的磁场由控制电路控制。

可选的，碱金属原子气室结构例如包括分立的第一碱金属原子气室301、第二碱金属原子气室302；或者，独立的一个碱金属原子气室；或者，不同碱金属种类的碱金属原子气室；或者，相同碱金属种类的碱金属原子气室；或者，充有缓冲气体的碱金属原子气室。

优选的，对于分立的第一碱金属原子气室301、第二碱金属原子气室302结构，第九激光光束123、第十二激光光束211进入第一碱金属原子 气室301；第十激光光束126、第十三激光光束212进入第二碱金属原子气室302；两个碱金属原子气室纵向放置，使第九激光光束123、第十二激光光束211相交处，第十激光光束126、第十三激光光束212相交处位于磁补偿线圈的轴线中央位置。

图5为本发明的控制电路部的结构示意图。如图所示，作为本发明的一个优选实施例，控制电路部包括：滤波放大器模块401、第一过零比较器电路402、第二过零比较器电路403、第一rf信号源404、第二rf信号源405、第一信号线408、第二信号线409、第三信号线414、混频器412、pid控制电路413；第一209、第二平衡差分探测器210测量到分别对应于301、302两气室的拉莫尔进动信号；第一平衡差分探测器209、第二平衡差分探测器210的信号406、407输入到滤波放大器模块401，输出信号分别经过第一过零比较器电路402、第二过零比较器电路403，输出控制同步信号至第一rf信号源404、第二rf信号源405；第一rf信号源404、第二rf信号源405经第一信号线408、第二信号线409输入到光泵光路第一、第二声光调制器rf端口进行独立控制，使得拉莫尔进动持续，完成拉莫尔进动的自持再生；经过滤波放大器模块401的信号410、411输入到混频器，高频分量信号输入到内含有锁相环及原子钟参考信号输入的pid控制电路413进行相位比较判断，输出控制信号经第三信号线414至磁场与磁屏蔽部分控制磁补偿线圈304，产生的磁场使原子拉莫尔进动频率锁定在原子钟信号参考上。

滤波放大器模块401输出信号为

410：βasin(ωat+ωt)；

411：βbsin(ωbt+ωt)；

410、411信号混频后的低频分量信号为βsin((ωa+ωb)t+2ωt)，高频分量信号为βsin((ωa-ωb)t)。

基于上述系统，当系统放置在转台307上时，转台转动时，第一、第二平衡差分探测器信号输入到混频器后的低频分量为转动信号βsin(2ωt)；

当转台307锁定，角速度为零时，磁补偿线圈304和磁屏蔽筒305替换为待测磁场环境；第一、第二平衡差分探测器信号输入到混频器后的低频分量为磁场梯度信号βsin(γ(ba-bb)t)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。