[发明专利]一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyro,or NMRG)碱金属极化率测量的方法，该方法通过测量原子核磁共振陀螺原子池内由静态稳恒磁场及碱金属原子自旋极化共同作用的惰性气体原子核磁共振频率，实时得到碱金属原子的极化率，属于原子物理领域。

背景技术

近年来，随着量子理论、原子操控、微加工技术以及现代光学的发展，原子传感器在现代科学和技术中得到越来越广泛的应用，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。国内外越来越多的机构也相继开展对原子加速度计、原子磁力仪、原子核磁共振陀螺等传感器的研究。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原子、惰性气体原子和缓冲气体原子，根据不同的应用要求，有的传感器是通过光抽运极化碱金属原子直接作为敏感原子，如原子钟和原子磁力仪等；有的传感器则通过光抽运极化碱金属原子，再经过自旋碰撞交换作用，将碱金属原子的极化传递给惰性气体原子，通过惰性气体原子的拉莫尔进动频移得到载体转动角速度，如原子核磁共振陀螺等。

原子核磁共振陀螺的基本原理为：

在静态稳恒磁场磁场作用下，具有非零自旋角动量的原子绕静磁场方向产生进动，其拉莫尔进动频率:

ωL→=γB0→---(1)]]>

其中γ为原子的旋磁比，为拉莫尔进动频率。当系统绕静磁场以角速度转动时，实际观测到的进动频率为：

ωL→′=γB0→-ωR→---(2)]]>

由于拉莫尔进动频率在静磁场稳定时为确定的量，由公式(2)就可以得到系统的转动角速度

为了使原子池内大量原子具有宏观磁化矢量通常采用光泵浦(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，以上就是原子核磁共振陀螺工作的基本原理。

要提高原子核磁共振陀螺的探测精度及工作稳定性，就要保证原子池内惰性气体原子有较高的极化率和稳定的进动频率，然而在原子核磁共振陀螺工作时，探测光和泵浦光的功率，以及原子池温度和原子池内壁条件的改变都会影响原子池内碱金属原子的自旋极化率，从而影响惰性气体原子的进动频率以及极化率，所以在原子核磁共振陀螺工作时，实现对碱金属原子极化率的实时测量，从而为原子核磁共振陀螺闭环控制系统提供控制信号的精确反馈，是非常重要的。

原子池中碱金属原子的极化率P可以表示为：