反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法及系统与流程

本发明涉及原子自旋陀螺，尤其涉及一种反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法及系统。

背景技术：

1、惯性导航是唯一全自主、实时、连续且不受干扰的导航技术，在军事战略战术武器系统全自主导航定位及制导与控制中发挥着不可替代的作用。陀螺仪是惯性导航的核心部件，是制约惯导系统精度和体积的最关键因素。然而，传统高精度机械式和光学式陀螺仪体积大且成本高，已不能满足现代军事武器系统升级换代和智能化民用无人系统对高精度小型化惯性导航的迫切需求，如何在小体积和低成本下实现高精度是陀螺仪发展面临的核心难题。随着量子精密操控、微机械加工以及激光技术的发展，核磁共振陀螺逐渐成为小型化陀螺技术领域的研究热点，由于其具有理论精度高、体积小和成本低的优势，为解决上述核心难题带来了革命性手段。

2、但现阶段的核磁共振陀螺精度还远低于理论精度，使得其巨大的工程应用潜力与现实之间还存在较大差距。核磁共振陀螺主要利用惰性气体原子核自旋的磁共振频率在惯性空间中的不变性实现载体角运动的测量，核自旋极化强度和横向弛豫时间是影响核自旋磁共振信号信噪比、制约核磁共振陀螺精度提升的两大关键因素。由于光场不易直接操控核自旋，目前核磁共振陀螺普遍采用单碱金属原子电子自旋抽运方案间接实现核自旋的极化和磁共振频率检测，为了增强核自旋极化强度，需要不断提高电子自旋密度，然而，高密度电子自旋会对抽运激光产生强烈地吸收，从而导致电子自旋产生较大极化梯度。电子自旋极化强度不但会限制核自旋极化强度的提升，还会退化核自旋横向弛豫时间，进而制约核磁共振陀螺精度提升。核磁共振陀螺的本质特点是在小体积下实现高精度，必须采用易于集成的小型化激光器，但其输出光功率通常有限，在低抽运光功率下，电子自旋极化梯度对核自旋横向弛豫时间和极化强度的退化作用会更加显著，是制约小型化单碱金属原子抽运核磁共振陀螺精度提升的瓶颈问题之一。

技术实现思路

1、本发明提供了一种反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法及系统，能够解决现有技术中高密度电子自旋会对抽运激光产生强烈地吸收，从而导致电子自旋产生较大极化梯度，制约核磁共振陀螺精度提升的技术问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法，反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法包括：设置反射式激光抽运系统、激光检测系统、混合抽运磁共振气室c1、加热单元c2、磁屏蔽与磁补偿系统以及信号采集与控制系统，反射式激光抽运系统包括准直扩束抽运激光光源p1、抽运二分之一波片p2、抽运起偏器p3、四分之一波片p4、消偏振分光棱镜p5、抽运第一光电探测器p6、抽运反射镜p7、抽运第二光电探测器p8、第一激光功率稳定控制单元和激光频率稳定控制单元，激光检测系统包括准直扩束检测激光光源m1、检测第一二分之一波片m2、检测起偏器m3、检测反射镜m4、检测第二二分之一波片m5、检测第一偏振分光棱镜m6、检测光电探测器m7、检测第三二分之一波片m8、检测第二偏振分光棱镜m9、平衡差分探测器m10和第二激光功率稳定控制单元，在混合抽运磁共振气室c1内充入第一碱金属原子e1、第二碱金属原子e2、第一惰性气体原子n1、第二惰性气体原子n2和缓冲气体h，第一碱金属原子e1的原子数密度小于第二碱金属原子e2的原子数密度，第一碱金属原子e1与任一惰性气体原子的碰撞截面积大于第二碱金属原子e2与任一惰性气体原子的碰撞截面积，加热单元c2用于加热混合抽运磁共振气室c1，磁屏蔽与磁补偿系统用于屏蔽外界环境磁场和提供主磁场；准直扩束抽运激光光源p1产生的抽运激光依次经过抽运二分之一波片p2、抽运起偏器p3、四分之一波片p4后进入消偏振分光棱镜p5分为第一抽运激光和第二抽运激光，第一抽运激光进入混合抽运磁共振气室c1用于极化第一碱金属原子e1，被极化的第一碱金属原子e1通过自旋交换碰撞极化第二碱金属原子e2，同时被极化的第一碱金属原子e1和第二碱金属原子e2共同通过自旋交换碰撞极化第一惰性气体原子n1和第二惰性气体原子n2，从混合抽运磁共振气室c1透射出的第一抽运激光经抽运反射镜p7反射后重新进入混合抽运磁共振气室c1用于极化第一碱金属原子e1，实现反射式混合抽运核磁共振陀螺仪极化梯度的抑制；从混合抽运磁共振气室c1透射出的第一抽运激光经消偏振分光棱镜p5进入抽运第二光电探测器p8并被转换为第二电信号，第二电信号反馈至激光频率稳定控制单元以对准直扩束抽运激光光源p1发出的抽运激光的频率进行稳定控制，第二抽运激光进入抽运第一光电探测器p6转换为第一电信号，第一电信号反馈至第一激光功率稳定控制单元以对准直扩束抽运激光光源p1发出的抽运激光的功率进行稳定控制；准直扩束检测激光光源m1产生的检测激光经检测第一二分之一波片m2、检测起偏器m3、检测反射镜m4、检测第二二分之一波片m5以及检测第一偏振分光棱镜m6后分为第一检测激光和第二检测激光，第一检测激光通过混合抽运磁共振气室c1后经检测第三二分之一波片m8和检测第二偏振分光棱镜m9后分成两束进入平衡差分探测器m10并转换为电信号，信号采集与控制系统根据电信号计算获取载体角速率，第二检测激光进入检测光电探测器m7转换为电信号后反馈至第二激光功率稳定控制单元以对准直扩束检测激光光源m1发出的检测激光的功率进行稳定控制。

3、进一步地，信号采集与控制系统根据电信号计算获取载体角速率具体包括：信号采集与控制系统通过旋光效应检测第二碱金属原子e2的电子自旋进动；从第二碱金属原子e2的进动信号中解调出第一惰性气体原子n1和第二惰性气体原子n2的磁共振频率，信号采集与控制系统根据第一惰性气体原子n1和第二惰性气体的磁共振频率进行主磁场闭环并解调出载体角速率，从而实现载体角速率的测量。

4、根据本发明的另一方面，提供了一种反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制系统，反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制系统使用如上所述的反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法进行极化梯度抑制。

5、进一步地，反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制系统包括反射式激光抽运系统、激光检测系统、混合抽运磁共振气室c1、加热单元c2、磁屏蔽与磁补偿系统以及信号采集与控制系统，反射式激光抽运系统包括准直扩束抽运激光光源p1、抽运二分之一波片p2、抽运起偏器p3、四分之一波片p4、消偏振分光棱镜p5、抽运第一光电探测器p6、抽运反射镜p7、抽运第二光电探测器p8、第一激光功率稳定控制单元和激光频率稳定控制单元，激光检测系统包括准直扩束检测激光光源m1、检测第一二分之一波片m2、检测起偏器m3、检测反射镜m4、检测第二二分之一波片m5、检测第一偏振分光棱镜m6、检测光电探测器m7、检测第三二分之一波片m8、检测第二偏振分光棱镜m9、平衡差分探测器m10和第二激光功率稳定控制单元，混合抽运磁共振气室c1内充入第一碱金属原子e1、第二碱金属原子e2、第一惰性气体原子n1、第二惰性气体原子n2和缓冲气体h，第一碱金属原子e1的原子数密度小于第二碱金属原子e2的原子数密度，第一碱金属原子e1与任一惰性气体原子的碰撞截面积大于第二碱金属原子e2与任一惰性气体原子的碰撞截面积，第一惰性气体原子n1和第二惰性气体原子n2的旋磁比不同，加热单元c2用于加热混合抽运磁共振气室c1，磁屏蔽与磁补偿系统包括磁屏蔽桶b1和磁补偿线圈b2，磁屏蔽桶b1用于屏蔽外界环境磁场，磁补偿线圈b2用于提供主磁场。

6、进一步地，第一碱金属原子e1和第二碱金属原子e2均包括k、rb或cs，第一惰性气体原子n1和第二惰性气体原子n2均包括129xe、131xe、3he或21ne，缓冲气体h原子包括n2或4he。

7、进一步地，抽运起偏器p3和检测起偏器m3均包括彩色偏振片、偏振分光棱镜或格兰棱镜。

8、进一步地，消偏振分光棱镜p5包括分光玻璃片。

9、进一步地，检测第一偏振分光棱镜m6包括pbs或格兰棱镜偏振分光器件。

10、进一步地，检测第二偏振分光棱镜m9包括pbs或沃拉斯顿棱镜偏振分光器件。

11、进一步地，四分之一波片p4的光轴方向与抽运起偏器p3的光轴方向呈45°，四分之一波片p4用于将线偏振激光转换为圆偏振激光。

12、应用本发明的技术方案，提供了一种反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法，该方法采用两种原子数密度不同的碱金属原子e1和e2，圆偏振抽运激光直接极化低密度的第一碱金属原子e1，被极化的第一碱金属原子e1通过自旋交换碰撞极化高密度的第二碱金属原子e2，同时被极化的碱金属原子e1和e2共同通过自旋交换碰撞极化惰性气体原子n1和n2，以降低原子气室对抽运激光的光学深度，有效避免高密度的碱金属原子对抽运激光的强烈吸收。为了提高抽运激光利用率，降低系统对抽运光功率的需求，同时进一步降低碱金属原子电子自旋极化梯度，利用反射镜将未被吸收的抽运激光反射进入混合抽运磁共振气室，反射后的抽运激光和反射前的抽运激光圆偏振方向相反，因此可再次参与第一碱金属原子e1的极化。本发明所提供的反射式混合抽运的核磁共振陀螺极化梯度抑制方法与现有技术相比，仅需在原子气室中充入两种原子数密度不同的碱金属原子，即可有效降低原子气室对抽运激光的光学深度，抑制抽运激光功率衰减引起的电子自旋极化梯度，同时采用反射式抽运的方式，可进一步补偿抽运激光功率的衰减，提高抽运激光功率的利用率，抑制电子自旋极化梯度，提升自旋极化强度，具有不增加额外器部件和系统体积的优点。