[发明专利]基于混合自旋交换光泵浦的NMRG信号增强方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强原子核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyro,or NMRG)信号强度的方法，通过在原子池中加入自旋交换中介物质，提高原子池内惰性气体的极化率，从而增强原子陀螺探测信号强度，属于原子物理领域。

背景技术

随着量子理论、原子操控、微加工技术以及现代光学的飞速发展，芯片级原子传感器件在现代科学和技术中得到越来越广泛的应用和关注，从对人类大脑的研究(核磁共振成像)到对运动物体的导航级精确测量(原子核磁共振陀螺)都能发现他们的身影。国内外越来越多的单位也相继开展了原子钟，原子加速度计，原子磁力仪，原子核磁共振陀螺等芯片级原子传感器件的研究。在这些原子器件中，原子池是它们的核心组成部分。一般地，原子池内包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体，根据不同的应用要求，原子钟等是通过光抽运极化碱金属原子直接作为敏感原子；原子核磁共振陀螺和原子磁力仪则是通过光抽运极化碱金属，再经过自旋碰撞交换作用，将碱金属极化传递给惰性气体原子。惰性气体原子在磁场下作拉摩尔进动，在不同的载体转动角速度或环境磁场下，探测光提取到的惰性气体拉摩尔进动频率产生频移，进而得到载体转动角速度或环境磁场强度。其中原子核磁共振陀螺的基本原理为：

在静磁场作用下，具有非零自旋角动量的原子绕静磁场方向产生进动，进动频率:

ωL→=γB0→---(1)]]>

其中γ为原子的旋磁比，为拉莫尔进动频率。当原子陀螺工作系统绕静磁场以角速度转动时，观测到的进动频率：

ωL→′=γB0→-ωR→---(2)]]>

式(2)中为已知量，因而可以得到原子陀螺工作系统绕方向的旋转角速度为了使原子池内大量原子具有宏观磁化矢量并降低磁场不稳定性的影响，通常采用光泵浦(Optical Pumping)技术，使用碱金属跃迁谱线(如⁸⁷Rb的D1线对应激光波长为795nm)对应频率的激光照射原子池，使碱金属原子吸收光子后产生极化，再通过自旋交换(Spin Exchange)作用将极化传递给惰性气体(如¹²⁹Xe和¹³¹Xe)原子，通过惰性气体原子来敏感外界转动角速度。原子核磁共振陀螺(NMRG)的探测信号为通过碱金属原子(如⁸⁷Rb)探测到的惰性气体原子(如¹²⁹Xe和¹³¹Xe)进动产生的磁场：