[发明专利]一种用于原子自旋器件稳定的原子自旋SERF态的精密操控方法

权利要求书

1.一种用于原子自旋器件稳定的原子自旋SERF态的精密操控方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）建立原子自旋SERF（无自旋交换弛豫）态方程

利用原子自旋交互碰撞电磁力作用下的原子碰撞散射计算方法，建立刘维尔密度矩阵演化方程：

其中ρ为原子系统在空间的密度，R_SE为原子自旋交换碰撞时间，R_OP为原子的光抽运率，为原子的极化率，为原子的极化方向；H为哈密顿量，φ为原子通量，为普朗克常数，为数学求梯度，D为数学求导数；在此基础上，采用Bloch方程建立原子自旋SERF态系统方程：

ddtS→=1q[γeB×S→+ROP(12s→-S→)-RrelS→]]]>

其中，q为核自旋衰减系数，γ^e为电子自旋的旋磁比，R_rel为电子的自旋弛豫率；B为原子感受的磁场；

（2）根据原子自旋SERF态的动力学特性，采用磁场调制法测量原子自旋极化率；

（3）根据原子自旋SERF态系统方程和所需的原子自旋极化率建立原子自旋SERF态的控制系统模型

其中ρ_n为原子系统在空间的密度，T_KS为电子－核子自旋交换碰撞弛豫时间，T_SDn为核子自旋碰撞时间，<K>为电子极化率，[X]为核子的密度，к_KS为增益常数，g_e、g_n为电子、核子的g因子，μ_B、μ_n为电子、核子的玻尔电子磁矩、质子磁矩，R_OP为原子的光抽运率，为原子的极化方向，a、b、c原子自旋SERF态控制系统模型中的未知参数；其次，根据原子自旋SERF态的控制系统模型施加到基于SERF原子自旋器件系统保证原子自旋极化率恒定；然后采用参数辨识的办法估计原子自旋SERF态控制系统模型中的未知参数a、b、c，并采用最优控制、鲁棒控制、自适应、或者自抗扰的控制策略解决原子自旋SERF态控制系统量子量测结构的不确定性；

（4）利用步骤（3）所建立的原子自旋SERF态系统控制模型设计控制律，优化磁场调制的开关时间，开通磁场调制测量原子自旋极化率并停止原子器件的角速度和磁场测量，当原子自旋极化率偏离目标值时，调节激光的频率、方位及功率保证原子极化率回归目标值；当原子自旋极化率回归到目标值后再断开磁场调制进行原子器件角速度和磁场测量。

2.根据权利要求1所述的原子自旋SERF态的精密操控方法，其特征在于：所述步骤（2）采用磁场调制法测量原子自旋极化率的方法如下：

（2.1）采用瞬间开通基于SE RF原子自旋器件中的抽运激光保持几秒然后再迅速断开抽运激光，保证只有碱金属电子被极化而核自旋仍处于杂乱无章的自然状态，此时原子自旋陀螺仪的动力学方程简化为原子磁强计动力学方程如下：

ddtS→=1q[γtB×S→+ROP(12s→-S→)-RrelS→]]]>

其中，q为核自旋衰减系数，γ^e为电子自旋的旋磁比，B为原子感受的磁场，R_OP为原子的抽运率，R_rel为原子的弛豫率；

（2.2）求解步骤（2.1）中的原子磁强计动力学方程的稳态解，即令得上式方程的稳态解：

Px=P0kBy+BxBzk2+Bx2+By2+Bz2]]>

其中，P₀为原子自旋极化稳态极化率，P_x为原子自旋极化率在检测激光上的投影，B_z为原子在抽运激光Z方向上，即纵向感受的磁场，B_x、B_y为原子在垂至于抽运激光X、Y方向上，即横向感受的磁场，R_tot为电子的总的弛豫率；

（2.3）在基于SERF原子自旋器件的屏蔽桶内用三轴主动磁补偿线圈将各个方向磁场补偿近为零，在Z方向加的-2000到2000nT变化的磁场，Y方向加16nT的磁场，根据步骤（2.2）中的原子磁强计动力学方程的稳态解得出原子自旋SERF态系统的输出响应为：

Px=P0Bx(Bz-Bz0)+kBy(Bz-Bz0)2+k2+Bx2+By2]]>

其中，B_z0为磁场偏置零点；

（2.4）对步骤（2.3）的输出响应用函数：

y=a*(x-b)*e+c*By(x-b)2+c2+e2+By2+d]]>

拟和，通过拟和曲线推算出k值，进而推出R_tot值；

（2.5）改变抽运激光的功率p，重复步骤（2.3）、（2.4），得出一系列Rtot值；

（2.6）根据步骤（2.5）中的功率p和相应得R_tot值，作出R_tot与p的曲线，曲线中功率零点对应的R_tot值即为R_rel，再根据即测出原子自旋极化率。