[发明专利]一种原子自旋惯性测量装置抽运检测激光正交对准方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

操作在无自旋交换弛豫(Spin-exchange relaxation-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 TimeReversal 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。

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-3He Co-magnetometer[D].Department ofAstrophysical Sciences,Princeton:PrincetonUniversity,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，本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案为：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：