一种SERF惯性测量装置横向极化率在线测量方法

本发明涉及serf惯性测量装置极化率在线测量，特别是一种serf惯性测量装置横向极化率在线测量方法，通过在抽运光路模块中设置电光调制器(eom)实现抽运光脉冲调制反转电子自旋，从而进行电子极化率测量。通过调节电光调制器驱动电压，控制改变通光偏振态，实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而实现电子自旋沿极化方向(z轴)反转。电子自旋横向极化率来源于电子极化在横向产生的投影，在纵向反转过程中，横向投影会随之反转，采用一束线偏振光进行旋光角检测，其幅值能够反映横向投影大小，进而反映电子自旋横向极化率绝对值大小。

背景技术：

1、基于无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free，serf)效应的原子自旋惯性测量装置已应用于多个领域，包括寻找探测超轻类轴子粒子、异常自旋力、cpt对称性测试以及惯性导航等(cpt，电荷共轭c、宇称变换p和时间反演t)。在惯性导航领域，serf原子自旋陀螺仪具有精度高、体积小、结构简单等优点，对于国防安全和经济发展具有重大意义。

2、在serf(无自旋交换弛豫)原子自旋惯性测量装置中，通过自旋交换光抽运技术，将碱金属电子自旋极化到与抽运光方向一致的方向(z轴方向)极化的电子自旋随后与惰性气体核自旋发生自旋交换碰撞，从而实现核自旋的超极化。此前研究通过一束垂直于抽运光方向的线偏振光进行检测，线偏振光偏振方向发生改变产生旋光角，该旋光角的大小反映碱金属原子横向极化率的相对值，无法直接得到碱金属原子横向极化率的绝对值。而在实际惯性测量系统中，在零输入状态下系统的横向极化率的绝对值能够反映原子系综多种信息，如抽运和检测正交性、抽运光与主磁场对准性等。因此需要一种手段对原子自旋惯性测量装置横向极化率的绝对值进行原位测量。

3、为了克服上述方法的不足，本发明则提出在在系统核自旋极化稳态情况下，通过电光调制器(eom)实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而控制电子自旋在纵向反转；采用线偏振光可检测横向极化分量幅值，实现横向极化率绝对值的测量。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷或不足，提出一种serf惯性测量装置横向极化率在线测量方法，通过在抽运光路模块中设置电光调制器(eom)实现抽运光脉冲调制反转电子自旋，从而进行电子极化率测量.通过调节电光调制器驱动电压，控制改变通光偏振态，实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而实现电子自旋沿极化方向(z轴)反转。电子自旋横向极化率来源于电子极化在横向产生的投影，在纵向反转过程中，横向投影会随之反转，采用一束线偏振光进行旋光角检测，其幅值能够反映横向投影大小，进而反映电子自旋横向极化率绝对值大小。

2、本发明技术解决方案如下：

3、一种serf惯性测量装置横向极化率在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1，将serf惯性测量装置气室加热至工作温度；

5、步骤2，在气室的抽运光入射侧光路上控制所述抽运光形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；

6、步骤3，当所述左旋圆偏振光入射到所述气室中，利用被抽运光极化的原子系综旋光效应，采用垂直于所述抽运光的一束线偏振光作为检测光进行旋光角检测，获得第一旋光角，当所述右旋圆偏振光入射到所述气室中且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时，同理获得第二旋光角；

7、步骤4，利用所述第一旋光角对应的第一输出电压信号减去所述第二旋光角对应的第二输出电压信号得到输出信号峰峰值；

8、步骤5，利用输出信号峰峰值得到电子横向极化率绝对值。

9、步骤3中包括以下表达式：

10、

11、

12、其中θ1为抽运左旋σ+圆偏振光时检测光产生的旋光角即第一旋光角，θ2为抽运右旋σ-圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时检测光产生的旋光角即第二旋光角，π为圆周率，l是光在气室的光程，n是碱金属原子数密度，re是经典电子半径，c是光速，为电子横向极化率，是电子横向极化率绝对值，f是k原子振荡强度，v是检测激光频率，vd1是k原子d1线的共振频率，vd2是k原子d2线的共振频率，v(v-vd1)为碱金属原子d1线洛伦兹色散函数，im[v(v-vd1)]为碱金属原子d1线洛伦兹色散函数的虚部，v(v-vd2)为碱金属原子d2线洛伦兹色散函数，im[v(v-vd2)]为碱金属原子d2线洛伦兹色散函数的虚部。

13、步骤4中包括以下表达式：

14、u1＝kpdi0θ1

15、u2＝kpdi0θ2

16、u＝u1-u2

17、其中u1是第一输出电压，u2是第二输出电压，kpd为光电探测器的转换系数，i0为入射第二光电探测器检测光光强，u是输出信号峰峰值。

18、步骤5中包括以下表达式：

19、

20、所述气室安装在无磁电加热烤箱内，烤箱放置在线圈骨架内，线圈骨架表面为三轴磁补偿线圈，线圈外为一层锰锌铁氧体和三层坡莫合金组成的磁屏蔽系统，提供无磁环境。

21、所述抽运激光由抽运激光器出射，依次通过第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、液晶相位延迟器、第二偏振分光棱镜和第二二分之一波片连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜透射光束依次通过电光调制器、第四偏振分光棱镜和四分之一波片连接所述气室，所述电光调制器通过外部信号触发器连接电光调制器驱动器以得到脉冲控制，所述第三偏振分光棱镜的反射侧依次通过第一光电探测器和电控单元连接所述液晶相位延迟器，所述电光调制器在非调制状态下，其控制电压为0，脉冲为低电平期间，所述第三偏振分光棱镜透射光束通过电光调制器后无相位延迟，通过调节所述四分之一波片，使得出光变为左旋σ+圆偏振光，脉冲为高电平期间，所述第三偏振分光棱镜透射光束通过电光调制器后产生相位延迟为π，通过四分之一波片后激光偏振态为右旋σ-圆偏振光。

22、所述检测光来自检测激光器，所述检测激光器依次通过第三二分之一波片、第五偏振分光棱镜、气室、第四二分之一波片和第二光电探测器连接上位机。

23、本发明的技术效果如下：本发明一种serf惯性测量装置横向极化率在线测量方法，通过在抽运光路模块中设置电光调制器(eom)实现抽运光脉冲调制反转电子自旋，从而进行电子极化率测量。通过调节电光调制器驱动电压，控制改变通光偏振态，实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而实现电子自旋沿极化方向(z轴)反转。电子自旋横向极化率来源于电子极化在横向产生的投影，在纵向反转过程中，横向投影会随之反转，采用一束线偏振光进行旋光角检测，其幅值能够反映横向投影大小，进而反映电子自旋横向极化率绝对值大小。

24、本发明与现有技术相比的优点在于：

25、(1)此前研究通过一束垂直于抽运光方向的线偏振光进行检测，线偏振光偏振方向发生改变产生旋光角，该旋光角的大小反映碱金属原子横向极化率的相对值，无法直接得到碱金属原子横向极化率的绝对值，本发明能够实是得到电子自旋横向极化率绝对值大小。(2)本发明能够测量系统在零输入状态下的横向极化率的绝对值，可以快速通过调节横向极化率调节抽运和检测正交性、抽运光与主磁场对准性等。