[发明专利]一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统，能够提高陀螺仪光检测系统灵敏度，简化陀螺仪系统结构、便于系统集成。

背景技术

西方发达国家自20世纪60年代开展了核磁共振陀螺仪的研究，随着科学技术的发展，核磁共振陀螺仪发展过程中遇到的关键技术瓶颈得到突破，使得核磁共振陀螺仪体积愈来愈小，精度愈来愈高，这就要求检测系统的灵敏度愈来愈高。公开号US2013/0328557A1公布了一种线偏振光检测原子自旋的方法，一束D1线圆偏振光作为抽运光，极化原子；另一束线偏振光作为检测光，检测原子自旋，其方向垂直于抽运光方向。还有一些研究人员采用一束圆偏振光同时完成抽运和检测，通过检测光强变化，最终提取陀螺角速率信号。核磁共振陀螺仪光检测技术已经有了很大发展，目前的理论和方法多采用两束光完成抽运和检测，使得核磁共振陀螺仪系统结构复杂，难以实现系统的集成化、小型化。

发明内容

本发明技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统，利用该检测系统，可以提高陀螺仪检测系统灵敏度，简化系统结构、便于系统小型化。

本发明的技术解决方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统，包括激光器(1)、透镜(2)、第一反射镜(3)、起偏器(4)、λ/4波片(5)、第二反射镜(6)、磁屏蔽桶(7)、异形线圈(8)、无磁电加热装置(9)、核磁共振气室(10)、第三反射镜(11)、λ/2波片(12)、偏振分光棱镜(13)、直角反射棱镜(14)、光电探测器(15)、数字处理电路(16)；其中核磁共振气室(10)位于核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统的中心位置，从内而外依次包围着无磁电加热装置(9)、异形线圈(8)与磁屏蔽桶(7)。磁屏蔽桶(7)分为三层，第二反射镜(6)和第三反射镜(11)分别置于异形线圈(8)和磁屏蔽桶(7)最内层之间的左右两侧，激光器(1)、透镜(2)、第一反射镜(3)、起偏器(4)、λ/4波片(5)，以及λ/2波片(12)、偏振分束棱镜(13)、直角反射棱镜(14)、光电探测器(15)和数字处理电路(16)分别置于磁屏蔽桶(7)最外层的外侧。激光器(1)发出的激光经透镜(2)准直后变为平行光束，经第一反射镜(3)反射后，经过起偏器(4)、λ/4波片(5)后变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经第二反射镜(6)反射后，光束沿水平方向通过核磁共振气室(10)，出射光经第三反射镜(11)反射后，通过λ/2波片(12)、偏振分束棱镜(13)、直角反射棱镜(14)，偏振分束棱镜(13)的透射光与直角反射棱镜(14)的反射光光强相等，到达光电探测器(15)转变为电信号，经过数字处理电路(16)对电信号进行解调，最终提取出陀螺角速率信号。

所述透镜(2)为两个透镜组，调节两个透镜之间的距离，使得出射光为平行光束且光斑直径大于核磁共振气室(10)的直径。

所述起偏器(4)为格兰泰勒棱镜或格兰汤普森棱镜或偏振片。

所述λ/4波片(5)偏振轴与起偏器(4)偏振轴的夹角为π/8，使得出射光为椭圆偏振光，同时完成光抽运和光检测。

本发明的原理是：激光器发出的一束激光经过起偏器和λ/4波片后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光可以分解为一对正交的左旋圆偏光和右旋圆偏光。抽运光可以表示为：

其中ν为激光频率，和分别为右旋和左旋圆偏光基矢，θ表示λ/4波片光轴和起偏器光轴的夹角；由于极化的原子自旋方向对左旋和右旋圆偏振光有不同的折射率，所以波矢k_r＝2πvn_r/c、k_l＝2πvn_l/c，其中通过调节λ/2波片光轴和偏振分光棱镜的夹角α,使得到达光电探测器的两束光的光强相等，两个光电探测器的信号经过电路差分运算后为：

其中d＝2πvl/c，l是气室直径，θ表示λ/4波片光轴和起偏器光轴的夹角，α表示λ/2波片光轴和偏振分光棱镜的夹角，表示对右旋圆偏振光的实部折射率、表示对右旋圆偏振光的虚部折射率、表示对左旋圆偏振光的实部折射率和表示对左旋圆偏振光的虚部折射率。

抽运光为Cs原子的D1线，碱金属气室内部的缓冲气体一方面会减小原子与气室壁的碰撞，降低原子的去极化率；另一方面会导致碱金属原子对光吸收洛伦兹谱线的压力展宽。原子和光子的相互作用正比于(1-s·P),其中s是光子自旋P是电子自旋极化P＝<S>/S,所以反射率为：