1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭)，浙江 杭州 310023
无自旋交换弛豫(SERF)原子惯性测量仪表因具有超高的理论精度和易于集成等优势，成为超高精度惯性测量仪表的重要发展方向。均匀且稳定的温度场是SERF惯性测量仪表实现超高精度测量的重要基础，提出了一种基于光谱吸收的碱金属气室全域温度梯度测量方法，通过在线获取气室不同位置激光入射前后的强度，根据光强比与温度的函数关系可获得气室内部相应位置的温度信息。较为全面地分析了光谱吸收法实现在线碱金属气室温度测量的可行性以及线偏振检测光频率对测温结果的影响，并通过有限元仿真与实验测试结果的对比，验证了所提方法的有效性。所提温度梯度测量方法是基于仪表原有设备实现的，不引入额外干扰，简单可靠且可操作性强。此方法的提出为SERF惯性测量仪表的加热系统设计与性能提升提供了重要的技术支撑。
中国激光
2022, 49(19): 1904005
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭)，浙江 杭州 310023
在基于无自旋交换弛豫(SERF)的原子自旋惯性测量系统中，通过测量检测光的旋光角来实现角速率测量，检测系统的偏振误差作为直接干扰量耦合在输出信号中导致漂移，严重降低了惯性测量系统的长期稳定性。理论推导了检测系统中残余旋光角与输出信号的关系，定量分析了单位残余旋光角变化引起的SERF原子自旋惯性仪表的漂移指标变化，得到了偏振波动敏感系数。提出了一种基于偏振波动敏感系数优化的偏振误差抑制方法。调节检测激光波长，使系统工作在刻度系数最大值处，并降低原子气室温度，进行了实验验证。最后利用Allan方差对SERF原子自旋惯性测量装置的测试数据进行了漂移误差分析，零偏不稳定性由0.012 (°)/h降低至0.008 (°)/h，实现了偏振误差的抑制。
中国激光
2022, 49(19): 1904003
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院，浙江 杭州 310051
3 北京航空航天大学大科学装置研究院，北京 100191
无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置在前沿基础物理探索以及惯性导航领域具有广泛应用前景。建立了SERF原子自旋惯性测量装置的耦合系综动力学响应模型，通过仿真和实验量化分析了耦合系综动力学响应的影响因素，厘清了偏置磁场、耦合自旋系综极化率和弛豫率等因素对准静态响应信号的影响。发现在强耦合点与自补偿点处，动态响应速度存在75倍的显著差异。进一步分析了偏置磁场、极化率和弛豫率对不同原子组合的惯性测量装置响应系数的影响。发现在自补偿点处存在最优极化率，使惯性测量装置的角速度响应系数最高，此最优点与原子种类和电子自旋弛豫率相关，可以通过降低电子自旋弛豫率将角速度响应系数提升近1倍。明确了通过优化电子自旋极化率和抑制电子自旋弛豫率可以进一步提升SERF原子自旋惯性测量灵敏度和动态性能，有望拓展其在惯性导航和基础物理探索中的应用。
中国激光
2022, 49(19): 1904001
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
采用基于圆偏振探测光的光纤Sagnac原子自旋进动闭环检测技术,实验测试了无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺在两种不同抽运状态下的角速度输入/输出特性,发现了SERF原子自旋陀螺输出的非线性现象。基于SERF原子自旋陀螺理论,建立了非线性响应模型并进行仿真研究,仿真结果与实验测试一致。研究表明:SERF原子自旋陀螺的非线性由原子内在相互作用决定,与总电子弛豫率Rtot密切相关。
光纤光学 陀螺仪 无自旋交换弛豫 原子自旋陀螺 圆偏光 非线性响应 电子弛豫率
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
分析了极化碱金属气室的旋光特性,极化的原子气室宏观上可等效为一种法拉第旋光晶体,其旋光系数与原子自旋进动相关。提出了采用圆偏振探测光测量通过气室的左右旋圆偏振光相位差来实现原子自旋进动检测的思路。基于改进的全光纤反射型Sagnac干涉仪,搭建了光纤原子自旋进动检测系统,通过圆偏振探测光实现了无自旋交换弛豫态自旋进动信号的检测。在原子自旋陀螺仪实验平台上进行了实验验证并实现了陀螺效应,实验结果证明了所提理论的正确性。对陀螺性能进行了初步测试,得到其零偏不稳定性为0.29 (°)/h。
测量 光纤光学 相干检测 原子自旋进动检测 Sagnac干涉仪 无自旋交换弛豫 圆偏振光
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
在无自旋交换弛豫原子磁强计中, 需要检测极小的旋光角度。基于光弹调制器的偏振调制技术由于其较低的噪声和长时间的稳定性在各种检测方法中是优选的。但光弹调制器的输出信号里包含有大量噪声和高次谐波, 严重影响了原子磁强计的性能。针对以上问题分析了基于光弹调制器的偏振调制技术的原理和待检测信号的特性, 并提出一种基于双通道数字锁相放大器的原子磁强计微弱信号检测方法。该方法简化锁相放大算法, 减小电路复杂度, 并能准确地同时检测一次谐波和二次谐波的幅值。理论分析和仿真结果表明, 该检测系统工作良好, 可以准确地检测微弱信号, 误差在0.1%以内。
光信号检测 原子磁强计 激光器应用 optical signal detection atomic magnetometers laser applications 红外与激光工程
2018, 47(8): 0817001
北京航空航天大学“惯性技术”重点实验室, “新型惯性仪表与导航系统技术”国防重点学科实验室, 北京 100191
碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。 碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响, 因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。 当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移, 且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽, 因此仅考虑压力展宽。 利用压力展宽、 频移的大小与气体压强存在的函数关系, 提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。 通过扫描碱金属原子的吸收光谱, 得到光学深度曲线, 并用洛伦兹函数对其拟合, 测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移, 再根据已知的单种、 单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移, 联立计算得到多种气体各自的压强。 当存在n种碱金属时, 最多可以测量4n种混合气体的压强。 仿真结果表明, 该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况; 激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时, 测量精度影响低于0.4%的数量级, 而温度波动在1%～10%的数量级时, 测量精度影响高达30%的数量级。
原子吸收光谱 气体压强 压力展宽 频移 Saturated absorption spectrum Gas pressure Pressure broadening Frequency shift
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院惯性技术国防科技重点实验室, 北京 100191
对球形碱金属气室导致的线偏光振动方向转角进行了理论研究与差分检测实验测量。结果表明，当光束通过中心位置、入射面与振动方向相垂直或平行的位置时，气室对其偏振态没有影响，而其他位置均会产生一定偏转角，且偏转角随位置的不同而变化。对直径12 mm、壁厚0.9 mm的气室，偏离中心0.7 mm处产生的理论偏转角约为0.08°。在使用球形碱金属气室作为中心元件的仪器时，需要考虑其对线偏光转角的明显影响。
测量 偏振检测 线偏光转角 差分检测 光学仿真 球形碱金属气室
北京航空航天大学“惯性技术”重点实验室, “新型惯性仪表与导航系统技术”国防重点学科实验室, 北京 100191
利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。 一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。 碱金属气室为该类器件的敏感表头。 碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数, 对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。 光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。 利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。 提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。 首先对碱金属气室加恒定磁场, 利用激光作为检测光, 根据光偏振旋转原理, 检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角, 得到碱金属气室原子密度。 然后将碱金属原子抽运, 利用激光作为检测光, 检测通过气室的偏振光的偏转角, 得到碱金属原子极化率。 该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度, 实现利用一套系统测量两个重要参数, 具有快速测量和高灵敏度等特点, 简化了实验设备及过程。 对两种偏转角进行仿真分析, 得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响, 根据仿真图得到检测激光波长的可取范围, 验证了该方法的可行性。 最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响, 提出实验对激光器与磁场的要求。
原子密度 原子极化率 光旋角 Atomic number density Atomic polarization Optical polarization rotation
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
传统半导体激光器与驱动控制器多采用分离式设计, 故半导体激光器系统的体积很难紧凑化, 而一体化半导体激光器存在电路集成度高, 发热严重等问题, 因此, 本文提出了对半导体激光器进行一体化、小型化设计的方法。为了保证所设计的半导体激光器运行时系统温度分布均匀, 输出激光不受温度变化影响, 在结构设计之前, 利用ANSYS软件对元器件集成度较高的电路板等热源进行了热仿真, 提高了集成后结构的可靠性。仿真结果显示, 优化设计后的半导体激光器一体化结构满足激光器温度要求, 系统温度分布均匀, 能保证激光器稳定运行。设计的新型半导体激光器的整体结构尺寸仅为 85 mm×95 mm×115 mm, 不仅实现了半导体激光器与驱动控制器的一体化与小型化集成, 并且结构中留有准直光路设计空间, 便于后期的应用研究。
半导体激光器 驱动控制器 ANSYS热仿真 小型化 一体化 semiconductor laser drive controller ANSYS thermal simulation miniaturization Integration
