CN110849393A - 核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及***，属于惯性测量传感器技术领域，包括：S1、使泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光通过法拉第旋光晶体，给背景磁场线圈施加正弦交变信号，使背景磁场线圈产生正弦交变磁场，将正弦交变磁场作用在泵浦光束上；S2、在正弦交变磁场的作用下，光束产生偏振面的周期性偏转，偏转角度与磁场在光束传输方向上的分量成正比；S3、线偏振激光偏振面的转动经过1/2波片后引起偏振分光棱镜输出分光比的变化，两束光差值经光电探测器产生周期性信号；S4、调整泵浦光入射前的导光反射镜来调整泵浦光和背景磁场的相对角度，当被检测交流信号幅值最大时，则泵浦光束与背景磁场对准。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量传感器技术领域，具体涉及一种核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及***。
背景技术
核磁共振陀螺仪利用原子核相对于外磁场的进动性，通过检测原子自旋进动频率变化实现高灵敏度角速度测量。1952年，通用电气公司的Leete和Hansen首先提出了核磁共振陀螺的设想。Singer-Kearfott公司和Litton公司从20世纪60年代开始了核磁共振陀螺仪相关研究工作，并于1979年分别研制出核磁共振陀螺的原理样机。
目前，在核磁共振陀螺仪技术发展最快的是美国Northrop Grumman公司，通过四代陀螺仪的研制历程，其研制的核磁共振陀螺仪工程样机在典型环境中使用验证其稳定性已达到0.02°/h，成为目前世界上达到导航级精度中体积最小的陀螺，标志着高精度、小体积陀螺技术领域取得了突破性研究进展。
核磁共振陀螺仪工作原理为：利用激光极化碱金属原子，碱金属原子与稀有气体原子之间的碰撞，可以实现对稀有气体原子核自旋的极化，核磁共振陀螺仪利用稀有气体原子核的横向极化分量在外磁场中进动频率的频移来感知外部的转动情况，实现载体角速度的测量。
本项目首先是搭建实验室核磁共振陀螺仪原理验证***，验证核磁共振陀螺原理，***组成部分如图1所示。核磁共振信号的探测过程分为三个步骤：第一步：在B0轴施加一稳定的静磁场(背景磁场)以及一束圆偏振的泵浦光，气室中碱金属原子在磁场及泵浦光的作用下极化，然后再通过与工作物质自由碰撞，将极化传递给工作物质，使大量的工作物质原子产生一宏观磁矩M。第二步：在横向施加一射频场，射频场的频ω率为原子核的拉莫尔进动频率。这时原子核的磁矩M偏离B0轴，并绕着B0轴进动。第三步:在垂直于泵浦光方向施加一束线偏振的探测光，探测光偏振面在进动的磁矩作用下产生同频率的偏转，利用偏振分束器件将该偏转转化为功率变化，在另一端探测接收，测量出原子进动频率变化。如载体不动，测量到的进动频率为ω＝γB0；当载体以ωr转动时，测量到的进动频率为ω＝γB0-ωr。
在实现核自旋极化的过程中，需要对背景磁场与泵浦激光束进行方位对准，以提高泵浦激光功率的利用效率。电子自旋传递给核自旋的极化方向为泵浦激光方向。当背景磁场与泵浦激光的方位存在夹角时，极化的核自旋与背景磁场方位也存在夹角，此时核自旋会围绕背景磁场持续进动。这不仅降低了核自旋的极化率，而且增加了核自旋的超极化时间，泵浦激光超极化效率降低。
由于磁场线圈的绕制及安装过程存在不可避免的误差，在结构设计上难以实现激光与磁场方向的直接对准，有很大的偶然性；理论上可通过调节泵浦光束方向，检测透过原子气室的对应跃迁频率段光强变化来判断泵浦光与磁场的对准情况，但由于实际原子极化率较低，光强变化通常很小，检测过程不直观且精度很低。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法及***，确保泵浦激光功率能够得到高效利用，使原子核自旋获得较高的极化率。
本发明的第一目的是提供一种核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法，包括如下步骤：
S1、使泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光通过法拉第旋光晶体，给背景磁场线圈施加正弦交变信号，使背景磁场线圈产生正弦交变磁场，将正弦交变磁场作用在泵浦光束上；
S2、在正弦交变磁场的作用下，未进行圆偏振转换的线偏振泵浦光束产生偏振面的周期性偏转，偏转角度与磁场在光束传输方向上的分量成正比；
S3、线偏振激光偏振面的转动经过1/2波片后引起偏振分光棱镜输出分光比的变化，两束光光功率的差值经光电探测器后转换为电压信号输出，产生周期性信号；
S4、调整泵浦光入射前的导光反射镜来调整泵浦光和背景磁场的相对角度，当被检测交流信号幅值最大时，则泵浦光束与背景磁场对准。
进一步，所述光电探测器为平衡光电探测器。
本发明的第二目的是提供一种上述核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法的***，至少包括：
给背景磁场线圈施加正弦交变信号的信号发生器；
用于接收泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光，并对其进行处理的检测光路；其中：
所述检测光路包括：
将泵浦光束导入旋光晶体的导光反射镜；背景磁场线圈位于所述旋光晶体的两端；
将泵浦光束分解为两束光的偏振分光棱镜；
位于旋光晶体和偏振分光棱镜之间的1/2波片，所述1/2波片将两束光初始光强分配至50％；
光电探测器，用于接收经过偏振分光棱镜后透射光和反射光信号，将所述透射光和反射光信号进行差分运算后输出被检测交流信号，所述被检测交流信号与交变磁场同频、周期性。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，本发明利用磁光法拉第效应原理，通过检测线偏振光束偏振面旋转角度变化作为激光光束与磁场的对准情况判据；在背景磁场线圈上施加交变电流，产生交变磁场，将被检测信号转化为交流信号；通过被检测交流信号幅值变化反映线偏振光束偏振面旋转角度变化，幅值最大时光束与磁场对准。
1、本发明所设计的泵浦激光与背景磁场对准方法，原理清晰可靠，且有良好的可实现性和可操作性；
2、本发明所设计的泵浦激光与背景磁场对准方法，对准过程实时可监测，被检测量(正弦信号幅值)特征明显，判据清晰，可实现高精度对准；
3、本发明所设计的泵浦激光与背景磁场对准方法，可通过增加交变磁场信号强度提升检测信号强度，从而进一步提升光束与磁场的对准精度，适用于核磁共振陀螺仪等***。
附图说明
图1是核磁共振陀螺仪组成框图；
图2是本发明优选实施例中的***图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
图1是基于自旋碰撞极化的核磁共振陀螺仪组成图，核磁共振陀螺仪的组成为：原子气室1、无磁加热机构2、磁场控制线圈4、磁屏蔽桶3、光路部分(泵浦光路、探测光路前端和后端)、频率控制板等。可见由泵浦光路射出的泵浦光束通过在磁场控制线圈发生的磁场作用下的原子气室。
下面结合附图2，通过具体实施，对本发明用于核磁共振陀螺仪泵浦激光与背景磁场对准方法作进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明对准方法的保护范围。
请参阅图2，泵浦光束经由导光反射镜5通过旋光晶体6；在磁场控制线圈4(即背景磁场线圈)作用下，泵浦光偏振面产生旋转；光束经过PBS(偏振分光棱镜8)被分解为两束光，此两束光光强分配与入射的泵浦光束偏振面角度有关，通过调节PBS前的1/2波片7可将两束光初始光功率分配至50％：50％(消去检测信号的直流偏置)；一束光经过聚焦透镜A10入射至光电探测器，另一束垂直方向的光束经由反射镜9转向后经过聚焦透镜B11入射至光电探测器12；光电探测器将两束光光功率信号差分后输出一与交变磁场同频的周期性信号，通过调节泵浦光束入射端导光反射镜角度调节泵浦光束方向，同时监测探测器输出信号的幅值的变化，当该信号幅值为最大时，泵浦光束与背景磁场对准。
本发明的目的实现过程为：
本发明主要基于磁光法拉第效应。当线偏振光通过处于磁场作用下的介质时，会产生旋光现象，即线偏振光的偏振面会旋转一定的角度，称为磁光法拉第效应。对于一定波长的光，偏振面旋转的角度θ与外磁场在光传播方向上的投影H和磁场的作用长度d的乘积成正比，即
θ＝VHd
V称为费尔德常数，数值与通光的介质本身的物质构成有关。
本发明利用磁光法拉第效应原理，在磁场线圈上施加一交变电流产生交变磁场，令进行圆偏振转化前的线偏振泵浦光束通过磁场线圈，如果光束与磁场方向重合程度越高，则磁场在光束传播方向上的投影则越大，相应的光束偏振面旋转角度就越大，通过检测偏振面的旋转角度变化即可推断该光束与磁场的对准情况；为放大被测信号，可在磁场作用下的通光区域内安装法拉第旋光晶体。具体对准过程如下：
泵浦光路搭建完成后，利用泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光通过法拉第旋光晶体，利用信号发生器给背景磁场线圈施加正弦交变信号，使其产生正弦交变磁场，该磁场作用在泵浦光束上。根据磁光法拉第效应原理，在交变磁场的作用下，光束产生偏振面的周期性偏转，偏转角度与磁场在光束传输方向上的分量成正比。线偏振激光偏振面的转动经过1/2波片后引起PBS(偏振分光棱镜)输出分光比的变化，两束光光功率的差值经平衡光电探测器后转换为电压信号输出，产生周期性信号。线偏振激光光束与磁场越接***行，磁场作用在光束传输方向上的分量越大，进而引起的偏振面旋光角度越大，产生的周期性信号幅度越大，由此判断并利用调整泵浦光入射前的导光反射镜来调整泵浦光和背景磁场的相对角度，最终使两者达到对准。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光通过法拉第旋光晶体，给背景磁场线圈施加正弦交变信号，使背景磁场线圈产生正弦交变磁场，将正弦交变磁场作用在泵浦光束上；
S2、在正弦交变磁场的作用下，未进行圆偏振转换的线偏振泵浦光束产生偏振面的周期性偏转，偏转角度与磁场在光束传输方向上的分量成正比；
S3、线偏振激光偏振面的转动经过1/2波片后引起偏振分光棱镜输出分光比的变化，两束光光功率的差值经光电探测器后转换为电压信号输出，产生周期性信号；
S4、调整泵浦光入射前的导光反射镜来调整泵浦光和背景磁场的相对角度，当被检测交流信号幅值最大时，则泵浦光束与背景磁场对准。
2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法，其特征在于，所述光电探测器为平衡光电探测器。
3.一种实现权利要求1所述核磁共振陀螺仪用泵浦激光与背景磁场对准方法的***，其特征在于，至少包括：
给背景磁场线圈施加正弦交变信号的信号发生器；
用于接收泵浦光转化为圆偏振光之前的线偏振光，并对其进行处理的检测光路；其中：
所述检测光路包括：
将泵浦光束导入旋光晶体的导光反射镜；背景磁场线圈位于所述旋光晶体的两端；
将泵浦光束分解为两束光的偏振分光棱镜；
位于旋光晶体和偏振分光棱镜之间的1/2波片，所述1/2波片将两束光初始光强分配至50％；
光电探测器，用于接收经过偏振分光棱镜后透射光和反射光信号，将所述透射光和反射光信号进行差分运算后输出被检测交流信号，所述被检测交流信号与交变磁场同频、周期性。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200228 |