基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法

本发明属于光抽运原子极化领域，特别是一种基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法。

背景技术：

1、内含碱金属单质与惰性气体的原子气室是原子磁强计、原子陀螺和原子钟等器件的核心敏感部件。基于原子气室内的电子自旋系综(或称之为原子自旋系综)或核子自旋与光场、磁场的相互作用，可以进行磁场、角速度或时间与频率的测量。圆偏振的激光与碱金属电子相互作用，将光子的角动量传递给电子自旋系综，进行对电子自旋系综的光抽运原子极化。

2、在实际应用中，光抽运原子极化常有以下需求：1、圆偏振激光对电子自旋系综的抽运率直接影响电子自旋系综的极化率，在实际应用中常需要对激光的抽运率进行稳定控制以稳定电子自旋系综极化率。2、原子对抽运激光有吸收的作用，该作用会带来电子自旋系综的极化率分量在抽运光方向的不均匀，在实际应用中常需要采用功率较大的抽运光克服极化率分布的不均匀性，但大的抽运光功率又会带来系统有用信号输出减弱，降低系统的灵敏度与信噪比。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是：本发明提出了基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，采用脉冲光的方式对电子自旋系综进行极化，提升了电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性；利用声光调制器(aom)光开关或电光调制器(eom)光开关调节抽运光的占空比，调节与稳定抽运光的抽运率，保证系统有用信号输出不受大功率抽运光的影响，提升系统的信噪比的长期稳定性。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，包括在抽运光路上通过设置光开关将来自抽运激光器的抽运激光转换成脉冲抽运激光，所述脉冲抽运激光对原子气室中的电子自旋系综进行极化以提升电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性，通过调节所述脉冲抽运激光的占空比和/或脉冲激光抽运率以调节抽运激光对电子自旋系综的等效抽运率，进而实现对原子自旋系综极化率的稳定控制。

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5、其中t表示脉冲抽运激光的脉冲周期，表示电子自旋系综纵向极化率最大值，纵向即z轴方向，表示电子自旋系综纵向极化率最小值，rp0α表示等效抽运率，rp0表示抽运激光抽运率，α表示抽运激光经过光开关后产生的脉冲激光占空比，表示电子纵向弛豫率。

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7、其中rp(t)表示脉冲光抽运率是时间t的函数，n表示正整数。

8、所述光开关的输入侧通过顺序串联第一偏振片、第一1/2波片和抽运扩束镜连接所述抽运激光器，所述光开关的输出侧依次通过第二偏振片和第一反射镜连接第一偏振分束棱镜，所述第一偏振分束棱镜的反馈光通过光电探测放大器连接光开关控制器，所述光开关控制器连接所述光开关，所述第一偏振分束棱镜的主路光依次穿越1/4波片和原子气室。

9、所述光开关采用aom声光调制器光开关或eom电光调制器光开关，所述光开关控制器采取pid比例微分积分控制方法调节脉冲激光的占空比。

10、所述原子气室的外围依次向外设置有加热烤箱、线圈骨架与其支撑、铁氧体屏蔽层和坡莫合金屏蔽层。

11、所述原子气室的检测光输入侧依次通过第二偏振片和检测扩束镜连接检测激光器，所述原子气室的检测光输出侧依次通过沃拉斯顿棱镜和差分放大器连接数据采集系统。

12、包括以下步骤：

13、(1)高功率激光输入：为加强光与原子自旋的相互作用，激光的频率需要被调谐到碱金属电子基态与激发态间的共振频率。且该功率产生的抽运率应达到几倍于原子/电子自旋系综的弛豫率，其光功率密度为200mw/cm3以上；

14、(2)光开关产生脉冲光：对系统进行脉冲光抽运时，其抽运率rp(t)是时间t的函数，rp0为抽运激光的抽运率，α为抽运激光经过光开关后产生的脉冲激光占空比，t为激光脉冲的时间周期，对于该高频脉冲光激光脉冲的频率应高于10千赫兹，n为大于等于0的整数：

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16、系统准稳态时电子自旋系综的纵向极化率的最大值和最小值可表示为如下形式，其中e代表自然常数，表示电子纵向弛豫率，q为电子自旋系综减慢因子：

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19、取极短的脉冲周期，即t趋近于0，使得极化率的最大值与极化率的最小值均收敛于同一数值，其中rp0α为等效抽运率，通过对等效抽运率进行控制可以改变电子自旋系综的极化率：

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21、(3)采用偏振器件产生使脉冲激光产生线偏振，再通过偏振分束棱镜将偏振激光分为反馈光和主路光，反馈光由光电探测放大器转化为电信号，主路光通过快轴与线偏振面夹角为45°的λ/4波片产生圆偏振光，对电子自旋系综进行极化；

22、(4)采用比例微分积分pid控制策略产生控制信号：光电探测放大器输出的电信号的直流分量与等效抽运率成正比，该直流分量为闭环反馈量，采用pid控制策略调节抽运光强或占空比，使反馈量与设定值的误差归零，即可稳定控制等效抽运率；

23、(5)调节脉冲光功率或占空比：根据控制信号驱动光开关调节抽运激光的抽运率rp0或占空比α，从而调节激光对电子自旋系综的等效抽运率rp0α。由于系统对脉冲光的频率要求大于10千赫兹，故可以采用的调制器有：声光调制器aom光开关或电光调制器eom光开关。

24、对高功率抽运激光进行脉冲调制，当调制频率较高时，电子自旋系综的极化率趋于稳定；通过调节脉冲激光的抽运率与占空比，可以调节该脉冲激光对电子自旋系综的等效抽运率进行稳定控制。同时高的抽运率能够降低电子自旋系综的纵向极化梯度。

25、本发明的技术效果如下：本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，使用高频率、高功率的圆偏振共振激光脉冲对电子自旋系综进行极化，为保证电子自旋系综极化率相对稳定，计算了脉冲激光参数对电子自旋系综极化率的影响，将反馈光经光电探测器放大与低通滤波后得到的信号作为等效抽运率的反馈信号，采用比例积分微分控制策略，调节脉冲光的占空比或激光功率稳定等效抽运率与电子自旋系综纵向极化率。本方法能够抑制传统的高功率抽运对系统刻度系数的影响，又可实现电子自旋系综极化率的稳定控制，可用于光泵磁强计、serf磁强计、serf原子自旋陀螺等领域，有较强的拓展性与实用价值。

26、本发明的特点如下：原子对抽运激光有吸收的作用，该作用会带来电子自旋系综的极化率分量在抽运光方向的不均匀，在一般的光抽运系统中，需要采用功率较大的抽运光克服极化率分布的不均匀性。但大的抽运光功率又会带来系统有用信号输出减弱，降低系统的灵敏度与信噪比。本发明提出了基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法。采用脉冲光的方式对电子自旋系综进行极化，提升了电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性；利用声光调制器(aom)或电光调制器(eom)光开关调节抽运光的占空比，调节与稳定抽运光的抽运率，保证系统有用信号输出不受大功率抽运光的影响，提升系统的信噪比的长期稳定性。

技术特征：

1.基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，包括在抽运光路上通过设置光开关将来自抽运激光器的抽运激光转换成脉冲抽运激光，所述脉冲抽运激光对原子气室中的电子自旋系综进行极化以提升电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性，通过调节所述脉冲抽运激光的占空比和/或脉冲激光抽运率以调节抽运激光对电子自旋系综的等效抽运率，进而实现对原子自旋系综极化率的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，所述光开关的输入侧通过顺序串联第一偏振片、第一1/2波片和抽运扩束镜连接所述抽运激光器，所述光开关的输出侧依次通过第二偏振片和第一反射镜连接第一偏振分束棱镜，所述第一偏振分束棱镜的反馈光通过光电探测放大器连接光开关控制器，所述光开关控制器连接所述光开关，所述第一偏振分束棱镜的主路光依次穿越1/4波片和原子气室。

5.根据权利要求4所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，所述光开关采用aom声光调制器光开关或eom电光调制器光开关，所述光开关控制器采取pid比例微分积分控制方法调节脉冲激光的占空比。

6.根据权利要求1所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，所述原子气室的外围依次向外设置有加热烤箱、线圈骨架与其支撑、铁氧体屏蔽层和坡莫合金屏蔽层。

7.根据权利要求1所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，所述原子气室的检测光输入侧依次通过第二偏振片和检测扩束镜连接检测激光器，所述原子气室的检测光输出侧依次通过沃拉斯顿棱镜和差分放大器连接数据采集系统。

8.根据权利要求1所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，对高功率抽运激光进行脉冲调制，当调制频率较高时，电子自旋系综的极化率趋于稳定；通过调节脉冲激光的抽运率与占空比，可以调节该脉冲激光对电子自旋系综的等效抽运率进行稳定控制。同时高的抽运率能够降低电子自旋系综的纵向极化梯度。

技术总结
基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，使用高频率、高功率的圆偏振共振激光脉冲对电子自旋系综进行极化，为保证电子自旋系综极化率相对稳定，计算了脉冲激光参数对电子自旋系综极化率的影响，将反馈光经光电探测器放大与低通滤波后得到的信号作为等效抽运率的反馈信号，采用比例积分微分控制策略，调节脉冲光的占空比或激光功率稳定等效抽运率与电子自旋系综纵向极化率。本方法能够抑制传统的高功率抽运对系统刻度系数的影响，又可实现电子自旋系综极化率的稳定控制，可用于光泵磁强计、SERF磁强计、SERF原子自旋陀螺等领域，有较强的拓展性与实用价值。

技术研发人员：杜鹏程,裴宏宇,全伟,范文峰,袁琳琳,蔡泽
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11