[发明专利]一种基于光磁调控的核自旋极化率快速自稳方法

说明书

本发明涉及一种基于光磁调控的核自旋极化率快速自稳方法，该方法利用系统中的光、磁与原子相互作用，采用闭环控制方法，综合操纵光场、磁场以快速自动的实现原子系综极化的动态平衡。可通过提高抽运率与弛豫率的比值，使装置在启动过程中能够快速达到极化率稳态；可通过综合调控抽运率与弛豫率的大小，使装置在改变抽运光工作条件后尽快稳定；可通过合理选择控制参数，使装置达到工作态的效率提高一倍以上。本发明可加快装置启动速度，缩短稳定时间，节省实验人力，有利于原子自旋惯性测量装置提高科学研究的实验效率，有益于其未来的工程化应用。

技术领域

本发明属于原子自旋惯性测量领域，涉及基于光、磁与原子相互作用的原子自旋惯性测量装置工作状态的快速自动稳定技术，特别是一种基于光磁调控的核自旋极化率快速自稳方法。

背景技术

原子自旋惯性测量装置是基于二十世纪七十年代提出的无自旋交换弛豫态(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)，并于二十一世纪初发展起来的一种利用惰性气体原子的核自旋敏感惯性信息的测量装置。近年来，为了提高其测量灵敏度，常采用核自旋的旋磁比较大的惰性气体(如²¹Ne原子)作为工作介质，从而实现了高精度的惯性信息测量。但上述原子源的选取同时带来了装置启动速度慢，改变工作条件后稳定时间长等问题，从而影响其工程化应用。因此，为了提高装置启动速度，缩短稳定时间，实现闭环控制，需要研究该装置工作状态的快速自动稳定方法。

一般地，基于原子SERF态的惯性测量系统建立在光、磁与原子的相互作用上。自然状态下一团由碱金属原子与惰性气体组成的原子系综，其内部的分布杂乱无章，对外不显示其自旋方向。在合适的磁场、温度、原子数密度条件下，利用一束适当频率、能使碱金属原子共振的抽运激光入射原子系综，光子与碱金属原子发生碰撞使角动量从前者传递给后者，持续的碰撞使碱金属原子的电子自旋方向在宏观上表现一致。而碱金属原子又会与惰性气体原子发生自旋交换碰撞，使惰性气体原子的核自旋也具有了相同方向的角动量。一段时间的光抽运后，可达到光极化原子的稳态，使原子系综宏观上具有一致的角动量，同时表现出宏观磁矩。再利用外置三维空间磁场交叉调制的方式，确定外加磁场的大小。主要是确定原子系综极化方向上的主磁场大小，从而使原子感受到与自身等大反向的磁场，确保原子系综处于SERF态或近SERF态。此时称原子系综位于磁场补偿点处，可使惰性气体原子的核自旋处于自补偿状态，即达到了装置的工作状态、核自旋极化的稳态，可以进行惯性测量。

装置的上述启动过程中，主要是光抽运原子达到稳态的时间较长，确定磁场补偿点的时间可忽略不计。而光抽运碱金属原子可认为瞬间完成，抽运过程主要是碱金属原子碰撞极化惰性气体原子，因此前者电子自旋相比后者核自旋的稳定时间可忽略不计。另一方面，为了进行科学研究与测量灵敏度极限探索，时常需要改变装置工作状态，涉及到抽运光强度的变化时，其达到新的稳态的时长往往远大于改变温度、磁场等条件。因此，为了尽快达到装置的工作态，需要研究抽运光极化惰性气体原子核自旋的快速自稳方法。

通常情况下，装置正常启动或改变条件稳定后，在惯性敏感轴上施加低频方波调制磁场，对应信号差值ΔS为零，此时即为磁场补偿点、核自旋自补偿点、装置的工作态、核自旋极化稳态；反之，信号差值越大，当前状态距离工作态越远。因此可利用闭环控制方法，先借助磁场手段来判断原子系综的当前极化状态，再操纵光场、磁场来实现核自旋极化率的快速自稳。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有原子自旋惯性测量装置达到正常工作态、即达到核自旋极化稳态所需稳定时间长的缺点，提供一种基于光磁调控的核自旋极化率快速自稳方法，利用系统中的光、磁与原子相互作用，采用闭环控制方法，综合操纵光场、磁场以快速自动地实现原子系综极化的动态平衡，可通过提高抽运率与弛豫率的比值，使装置在启动过程中能够快速达到极化率稳态；可通过综合调控抽运率与弛豫率的大小，使装置在改变抽运光工作条件后尽快稳定；可通过合理选择控制参数，使装置达到工作态的效率提高一倍以上。本发明可加快装置启动速度，缩短稳定时间，节省实验人力，有利于原子自旋惯性测量装置提高科学研究的实验效率，有益于其未来的工程化应用。