CN109883410B - 一种双核自旋磁致频移抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于误差消除方法，具体涉及一种双核自旋磁致频移抑制方法。它包括：步骤一：加热，设置于无磁加热组件将原子气室加热至120℃以上，步骤二：极化，步骤三：共振，步骤四：检测，使检测激光通过起偏器进入原子气室，检测共振频率。步骤五：翻转电子自旋极化方向，步骤六：计算。本申请的效果是：本申请提出了一种双核自旋磁致频移抑制方法，其主要优势在于在原子磁强计主动磁补偿的基础上，抑制双核自旋磁致频移误差漂移，从而提升陀螺的零偏稳定性。

Description

一种双核自旋磁致频移抑制方法
技术领域
本发明属于误差消除方法，具体涉及一种双核自旋磁致频移抑制方法。
背景技术
核磁共振陀螺基于原子操控技术的前沿研究进展，具有高精度、小体积、纯固态、加速度不敏感等综合优势，是未来高精度、微小型陀螺技术的主要发展方向之一。核磁共振陀螺需要屏蔽环境磁场，隔离磁场对核自旋进动测量的影响。一般采用“基于高导磁材料的被动磁屏蔽+基于原子磁强计的主动磁补偿”方案实现。被动磁屏蔽一般仅能实现105～106的磁场衰减系数，在此基础上的进一步磁场衰减，需要采用基于原子磁强计的主动磁补偿技术。通过原子磁强计理论上可以补偿磁屏蔽环境下的剩余磁场变化。由于核自旋与电子自旋产生的磁场能够被对方感受到，核自旋感受电子自旋产生的磁场，核磁共振陀螺中两种核自旋感受电子自旋磁场的不同，原子磁强计主动磁补偿难以去除，引起核自旋进动频率偏移误差。随着核磁共振陀螺向高精度发展，此项误差不可忽略，是三维主动磁补偿技术需解决的难点。
发明内容
本申请针对现有技术的缺陷，提供一种双核自旋磁致频移抑制方法。
本申请是这样实现的：一种双核自旋磁致频移抑制方法，包括下述步骤：
步骤一：加热
设置于无磁加热组件5将原子气室10加热至120℃以上，用于增加原子密度。
步骤二：极化
对原子气室10照射驱动激光1，驱动激光1的光源波长选择为碱金属原子的电子自旋的D1线；所述的三维线圈11通过电流源激励，用于产生三个正交方向的磁场，首先在Z轴正向施加恒定电流源，使其产生恒定磁场Bz。所述的圆偏振器3调节到左旋偏振方向。
步骤三：共振
一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴正向；通过电流源在三维线圈X轴方向施加交流激励磁场，使两种核自旋发生核磁共振。
步骤四：检测
使检测激光13通过起偏器12进入原子气室10，检测共振频率。
步骤五：翻转电子自旋极化方向
将圆偏振器3调节到右旋偏振方向，使电子自旋极化方向发生翻转。
步骤六：计算
当载体以角速率Ω发生转动时，电子自旋极化方向翻转前在载体系观测的两种核自旋共振频率分别ωL1与ωL2：
Figure GDA0003103677500000021
式中，δ1与δ2分别为两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数，与原子种类相关，为物理常量。γ1、γ2分别为两种核自旋旋磁比，为物理常量。
结合上述两式可以得到：
Figure GDA0003103677500000031
电子自旋极化方向翻转后，检测到两种核自旋共振频率ωL1′与ωL2′：
Figure GDA0003103677500000032
结合上述两式可以得到：
Figure GDA0003103677500000033
将翻转电子自旋极化方向前后两次检测到的核自旋共振频率做差分计算，即式(1)、(2)做差分计算，消除两种核自旋感受电子自旋磁场的不同，引起核磁共振陀螺偏移误差：
Figure GDA0003103677500000034
如上所述的一种基于电子自旋-核自旋耦合的高精度磁场测量方法，其中，用于敏感角运动的惰性气体的两种核自旋、以及碱金属原子的电子自旋、其它辅助功能气体原子N2。
如上所述的一种基于电子自旋-核自旋耦合的高精度磁场测量方法，其中，所述的三维线圈11通过电流源激励，用于产生三个正交方向的磁场，在Z轴正向施加恒定电流源，使其产生恒定磁场Bz，在X轴上施加两种交流电流激励，产生两种频率的交流磁场，其两种频率分别对应两种核自旋的固有拉莫尔进动频率。
如上所述的一种基于电子自旋-核自旋耦合的高精度磁场测量方法，其中，所述的圆偏振器3偏振方向可调节。
本申请的效果是：本申请提出了一种双核自旋磁致频移抑制方法，其主要优势在于在原子磁强计主动磁补偿的基础上，抑制双核自旋磁致频移误差漂移，从而提升陀螺的零偏稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种双核自旋磁致频移抑制方法的示意图。
图中：1.驱动激光、2.起偏器、3.圆偏振器、4.原子气室托架、5.无磁加热组件、6.检偏器、7.光电探测器、8.前置放大器、9.处理电路、10.原子气室、11.三维线圈、13.检测激光、12.起偏器。
具体实施方式
一种双核自旋磁致频移抑制方法，包括下述步骤：
步骤一：加热
设置于无磁加热组件5将原子气室10加热至120℃以上，用于增加原子密度。所述的原子气室10内部包含用于敏感角运动的惰性气体的两种核自旋、以及碱金属原子的电子自旋、其它辅助功能气体原子N2。
步骤二：极化
一束驱动激光1依次通过三维线圈11、起偏器2、圆偏振器3，垂直射入原子气室10的一个面，定义其入射方向为Z轴正向，用于极化碱金属原子的电子自旋，将光子角动量传递给电子自旋，使电子自旋的极化率达到P。所述的三维线圈11通过电流源激励，用于产生三个正交方向的磁场，首先在Z轴正向施加恒定电流源，使其产生恒定磁场Bz。
极化的电子自旋将角动量传递给核自旋，实现惰性气体核自旋的极化。
所述的驱动激光1的光源波长选择为碱金属原子的电子自旋的D1线。
所述的圆偏振器3调节到左旋偏振方向。
步骤三：共振
一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系；通过电流源在三维线圈X轴方向施加交流激励磁场，使两种核自旋发生核磁共振，当载体以角速率Ω发生转动时，在载体系观测的两种核自旋共振频率分别ωL1与ωL2：
Figure GDA0003103677500000051
式中，δ1与δ2分别为两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数，与原子种类相关，为物理常量。γ1、γ2分别为两种核自旋旋磁比，为物理常量。
结合上述两式可以得到：
Figure GDA0003103677500000052
由于两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数不同，两种核自旋感受电子自旋磁场的不同，原子磁强计主动磁补偿难以去除，引起核自旋进动频率偏移误差，进而引起核磁共振陀螺偏移误差。
步骤四：检测
使检测激光13通过起偏器12进入原子气室10，检测共振频率ωL1与ωL2。
步骤五：翻转电子自旋极化方向
将圆偏振器3调节到右旋偏振方向，使电子自旋极化方向发生翻转。此时检测到两种核自旋共振频率ωL1′与ωL2′：
Figure GDA0003103677500000061
式中，δ1与δ2分别为两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数，与原子种类相关，为物理常量。γ1、γ2分别为两种核自旋旋磁比，为物理常量。
结合上述两式可以得到：
Figure GDA0003103677500000062
步骤六：差分计算
将翻转电子自旋极化方向前后两次检测到的核自旋共振频率做差分计算，即式(1)、(2)做差分计算，消除两种核自旋感受电子自旋磁场的不同，引起核磁共振陀螺偏移误差：
Figure GDA0003103677500000063

Claims (4)

1.一种双核自旋磁致频移抑制方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：加热
设置于无磁加热组件(5)将原子气室(10)加热至120℃以上，用于增加原子密度，
步骤二：极化
对原子气室(10)照射驱动激光(1)，驱动激光(1)的光源波长选择为碱金属原子的电子自旋的D1线；三维线圈(11)通过电流源激励，用于产生三个正交方向的磁场，首先在Z轴正向施加恒定电流源，使其产生恒定磁场Bz，圆偏振器(3)调节到左旋偏振方向，
步骤三：共振
一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴正向；通过电流源在三维线圈X轴方向施加交流激励磁场，使两种核自旋发生核磁共振，
步骤四：检测
使检测激光(13)通过起偏器(12)进入原子气室(10)，检测共振频率，
步骤五：翻转电子自旋极化方向
将圆偏振器(3)调节到右旋偏振方向，使电子自旋极化方向发生翻转，
步骤六：计算
当载体以角速率Ω发生转动时，电子自旋极化方向翻转前在载体系观测的两种核自旋共振频率分别ωL1与ωL2：
Figure FDA0002819968800000021
式中，δ1与δ2分别为两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数，与原子种类相关，为物理常量，γ1、γ2分别为两种核自旋旋磁比，为物理常量，
结合上述两式可以得到：
Figure FDA0002819968800000022
电子自旋极化方向翻转后，检测到两种核自旋共振频率ωL1′与ωL2′：
Figure FDA0002819968800000023
结合上述两式可以得到：
Figure FDA0002819968800000024
将翻转电子自旋极化方向前后两次检测到的核自旋共振频率做差分计算，即式(1)、(2)做差分计算，消除两种核自旋感受电子自旋磁场的不同，引起核磁共振陀螺偏移误差：
Figure FDA0002819968800000025
2.如权利要求1所述的一种双核自旋磁致频移抑制方法，其特征在于：用于敏感角运动的惰性气体的两种核自旋、以及碱金属原子的电子自旋、其它辅助功能气体原子N2。
3.如权利要求1所述的一种双核自旋磁致频移抑制方法，其特征在于：所述的三维线圈(11)通过电流源激励，用于产生三个正交方向的磁场，在Z轴正向施加恒定电流源，使其产生恒定磁场Bz，在X轴上施加两种交流电流激励，产生两种频率的交流磁场，其两种频率分别对应两种核自旋的固有拉莫尔进动频率。
4.如权利要求1所述的一种双核自旋磁致频移抑制方法，其特征在于：所述的圆偏振器(3)偏振方向可调节。
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