本发明专利技术涉及一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，特别是一种以原子自旋信号为基准的抽运检测激光正交对准方法。该方法首先通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准，然后根据横向交流磁场响应和抽运激光经气室后的出光信号微调抽运激光使其与气室精确对准。其次基于抽运出光中携带的原子自旋进动信号调节横向补偿磁场使合磁场方向与抽运激光平行。最后根据快速开关抽运激光时检测激光探测到的旋光角信号微调检测激光与合磁场方向(即抽运激光方向)正交。本发明专利技术可实现抽运激光和检测激光的精确正交对准，抑制由激光非对准引起的原子自旋弛豫和抽运激光功率、频率耦合误差，提高原子自旋惯性测量系统的测量精度和长期稳定性。统的测量精度和长期稳定性。统的测量精度和长期稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法
[0001]本专利技术涉及一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，特别是一种以原子自旋旋光角检测信号为基准的抽运激光和检测激光正交对准方法，属于原子自旋惯性测量领域。
技术介绍
[0002]操作在无自旋交换弛豫(Spin
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exchange relaxation
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free,SERF)状态下的原子自旋惯性测量装置由于其特殊的动力学特性在近些年来受到越来越多地关注，它已经被广泛应用于基础物理学研究，如洛伦兹和宇称及时间反演(Charge,Parity,and Time Reversal Symmetry,CPT)对称性破缺的测试、探测超轻类轴子粒子以及寻找异常自旋力等。同时它还具有做成小型化陀螺仪的潜力，是新一代运载体惯性导航用超高精度惯性器件的重要发展方向之一。
[0003]在SERF原子自旋惯性测量装置中，碱金属电子自旋需要通过自旋交换光抽运技术极化到抽运光方向(即z轴方向，也称为纵向方向)，被极化的碱金属电子自旋再与惰性气体核自旋发生自旋交换碰撞实现核自旋的超极化，垂直于抽运光方向(即x轴方向或y轴方向，也称为横向方向)的检测激光通过旋光效应检测电子自旋的进动即电子自旋纵向极化矢量在x轴方向或y轴方向的投影来实现角速率的测量。在这个过程中，一方面抽运激光打在碱金属气室上的指向会影响原子自旋弛豫，从而影响激光抽运效率；另一方面，抽运激光和检测激光存在非正交时，抽运激光的功率频率波动会直接引起横向极化率波动，耦合到旋光角检测系统中，造成旋光角检测误差，从而影响原子自旋惯性测量系统的精度和稳定性。原子自旋惯性测量装置中抽运激光和检测激光的正交对准可通过两种方法来实现，一是通过机械结构来保证，二是以原子自旋信号为基准进行调节。前者由于碱金属气室的安装通常存在安装误差，且激光通过气室后会发生折射，改变激光指向，因此只能保证未安装气室时抽运激光和检测激光的正交粗对准；后者最初由普林斯顿大学Romalis小组的Kornack博士提出(Kornack T W.A Test of CPT and Lorentz Symmetry Using K
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3He Co
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magnetometer[D].Department ofAstrophysical Sciences,Princeton:Princeton University,2005.)，在原子自旋极化稳定和高抽运率的条件下通过开关抽运激光来调节抽运激光和检测激光的正交对准，但并未考虑磁场指向不准引入的对准误差，同时在原子自旋极化状态进行调节时核自旋进动信号会造成较大的干扰。为了克服上述方法的不足，本专利技术则提出在通过机械结构粗对准的基础之上，通过原子自旋信号实现抽运激光指向与碱金属气室的精对准，再以抽运激光指向为基准，调节磁场方向与抽运激光指向平行，最后通过调节检测激光与磁场方向垂直，进而实现检测激光与抽运激光的精确正交对准，在调节检测激光指向时，通过磁场梯度将核自旋退极化，可避免核自旋进动引入的干扰，因此具有较高的对准精度。
技术实现思路
[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种以原子自旋检测信号为基准的抽运检测激光正交对准方法，对抽运检测激光进行精确正交对准，有效降低抽运检测激光非正交角误差，抑制抽运指向与气室非对准引起的原子自旋弛豫以及由抽运检测非正交引起的抽运激光横向光频移和横向极化率误差，从而提高原子自旋惯性测量系统的长期稳定性。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，包括下列步骤：
[0006](1)通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准。在安装碱金属气室之前，在原子自旋惯性测量装置的磁屏蔽筒支撑结构抽运激光和检测激光的通光孔处分别安装两个光阑，分别调节抽运激光和检测激光的指向，使抽运激光和检测激光透过光阑的光功率最大，实现激光和检测激光指向正交粗对准。
[0007](2)在步骤(1)抽运激光和检测激光指向粗对准的基础上利用原子自旋进动信号对抽运激光指向进行精对准。基本步骤为：安装碱金属气室并在抽运激光经过气室后的出光位置安装一个光电探测器用于探测抽运激光出光功率，启动气室加热，将气室温度加热至正常工作温度，在z轴方向施加一个主磁场，待原子自旋极化稳定后，通过交叉调制方法找到混合原子自旋系综的磁补偿点，使原子自旋惯性测量装置进入正常工作状态，然后在x轴或y轴方向施加一个交流磁场，通过锁相放大器锁定检测激光探测到的旋光角信号幅度，微调抽运激光指向，使锁放锁定的幅度最大，同时保证出光光电探测器探测到的激光功率最大，实现抽运激光与碱金属气室实现精确对准，从而保证抽运激光对原子自旋的高效抽运。
[0008](3)在步骤(2)抽运激光指向精确对准的基础上，以抽运激光指向为基准，调节x轴、y轴和z轴磁场的合磁场方向与抽运激光指向平行。基本步骤为：在x轴或y轴施加一个脉冲磁场以诱导原子自旋进动，通过调节x轴和y轴补偿磁场的大小使得抽运出光探测器探测到的进动信号最小，此时合磁场方向与抽运激光指向平行。
[0009](4)在步骤(3)合磁场方向与抽运激光指向平行的基础上，以合磁场方向(也即抽运激光指向)为基准，调节检测激光指向与合磁场方向垂直。基本步骤为：通过磁场梯度线圈施加磁场梯度使原子自旋退极化，然后通过快速开关抽运激光，微调检测激光的指向，使检测激光探测到的旋光角稳态信号在开关抽运光时的差值为零，从而实现检测激光指向与合磁场方向正交对准，也即实现抽运激光指向和检测激光指向的精确正交对准。
[0010]所述光阑的通光孔直径不超过1mm，分别安装在原子自旋惯性测量装置激光进气室方向和出气室方向的磁屏蔽筒支撑结构上，根据两点确定一条直线的原理和机械结构保证抽运激光和检测激光的准直和正交，为原子自旋惯性测量装置抽运激光和检测激光指向的调节提供机械基准。
[0011]所述抽运激光的功率设定在原子自旋惯性测量装置的标度因数随抽运激光功率的变化的拐点之前，即在所设定的抽运激光的功率处，测量装置的标度因数随着抽运激光的功率的增大而增大，从而可保证检测激光探测到的旋光角信号强度随抽运光功率单调变化，抽运激光指向与碱金属气室对得越准，旋光角信号强度越强。
[0012]所述安装的探测抽运激光出光功率的光电探测器通过机械结构保证与碱金属气
室通光孔正对准。
[0013]所述抽运激光和检测激光指向的调节通过如图2所示的两个二自由度微调反射镜来实现，两个二自由度微调反射镜可实现激光指向两个维度的精确调节，同时两反射镜采用斜对立的配置方式，以减小光路体积。
[0014]所述沿z轴方向施加的磁场大小为核自旋自补偿磁场的3倍以上，以束缚原子自旋沿合磁场方向，同时抑制检测光抽运效应引入的对准误差。
[0015]所述施加的脉冲磁场的频率和幅值以诱导出原子自旋进动信号为准。
[0016]所述在x轴或y轴施加一个脉冲磁场为本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过光阑对抽运激光和检测激光的指向进行粗对准：在安装碱金属气室之前，在原子自旋惯性测量装置的磁屏蔽筒支撑结构抽运激光和检测激光的通光孔处分别安装两个光阑，分别调节抽运激光和检测激光的指向，使抽运激光和检测激光透过光阑的光功率最大，实现激光和检测激光指向正交粗对准；(2)在步骤(1)抽运激光和检测激光指向粗对准的基础上利用原子自旋进动信号对抽运激光指向进行精对准，实现步骤为：安装碱金属气室并在抽运激光经过气室后的出光位置安装一个光电探测器用于探测抽运激光出光功率，启动气室加热，将气室温度加热至正常工作温度，在z轴方向施加一个主磁场，待原子自旋极化稳定后，通过交叉调制方法找到混合原子自旋系综的磁补偿点，使原子自旋惯性测量装置进入正常工作状态，然后在x轴或y轴方向施加一个交流磁场，通过锁相放大器锁定检测激光探测到的旋光角信号幅度，微调抽运激光指向，使锁放锁定的幅度最大，同时保证出光光电探测器探测到的激光功率最大，实现抽运激光与碱金属气室实现精确对准，从而保证抽运激光对原子自旋的高效抽运；(3)在步骤(2)抽运激光指向精确对准的基础上，以抽运激光指向为基准，调节x轴、y轴和z轴磁场的合磁场方向与抽运激光指向平行，基本步骤为：在x轴或y轴施加一个脉冲磁场以诱导原子自旋进动，通过调节x轴和y轴补偿磁场的大小使得抽运出光探测器探测到的进动信号最小，此时合磁场方向与抽运激光指向平行；(4)在步骤(3)合磁场方向与抽运激光指向平行的基础上，以合磁场方向也即抽运激光指向为基准，调节检测激光指向与合磁场方向垂直，实现步骤为：通过磁场梯度线圈施加磁场梯度使原子自旋退极化，然后通过快速开关抽运激光，微调检测激光的指向，使检测激光探测到的旋光角稳态信号在开关抽运光时的差值为零，从而实现检测激光指向与合磁场方向正交对准，也即实现抽运激光指向和检测激光指向的精确正交对准。2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法，其特征在于：所述步骤(1)中，光阑的通光孔直径不...
【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，黄炯，范文峰，王卓，张开，袁琳琳，裴宏宇，
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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