基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法

技术领域

本发明属于光抽运原子极化领域，特别是一种基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法。

背景技术

内含碱金属单质与惰性气体的原子气室是原子磁强计、原子陀螺和原子钟等器件的核心敏感部件。基于原子气室内的电子自旋系综(或称之为原子自旋系综)或核子自旋与光场、磁场的相互作用，可以进行磁场、角速度或时间与频率的测量。圆偏振的激光与碱金属电子相互作用，将光子的角动量传递给电子自旋系综，进行对电子自旋系综的光抽运原子极化。

在实际应用中，光抽运原子极化常有以下需求：1、圆偏振激光对电子自旋系综的抽运率直接影响电子自旋系综的极化率，在实际应用中常需要对激光的抽运率进行稳定控制以稳定电子自旋系综极化率。2、原子对抽运激光有吸收的作用，该作用会带来电子自旋系综的极化率分量在抽运光方向的不均匀，在实际应用中常需要采用功率较大的抽运光克服极化率分布的不均匀性，但大的抽运光功率又会带来系统有用信号输出减弱，降低系统的灵敏度与信噪比。

发明内容

本发明解决的问题是：本发明提出了基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，采用脉冲光的方式对电子自旋系综进行极化，提升了电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性；利用声光调制器(AOM)光开关或电光调制器(EOM)光开关调节抽运光的占空比，调节与稳定抽运光的抽运率，保证系统有用信号输出不受大功率抽运光的影响，提升系统的信噪比的长期稳定性。

本发明的技术解决方案如下：

基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，其特征在于，包括在抽运光路上通过设置光开关将来自抽运激光器的抽运激光转换成脉冲抽运激光，所述脉冲抽运激光对原子气室中的电子自旋系综进行极化以提升电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性，通过调节所述脉冲抽运激光的占空比和/或脉冲激光抽运率以调节抽运激光对电子自旋系综的等效抽运率，进而实现对原子自旋系综极化率的稳定控制。

其中T表示脉冲抽运激光的脉冲周期，

其中R

所述光开关的输入侧通过顺序串联第一偏振片、第一1/2波片和抽运扩束镜连接所述抽运激光器，所述光开关的输出侧依次通过第二偏振片和第一反射镜连接第一偏振分束棱镜，所述第一偏振分束棱镜的反馈光通过光电探测放大器连接光开关控制器，所述光开关控制器连接所述光开关，所述第一偏振分束棱镜的主路光依次穿越1/4波片和原子气室。

所述光开关采用AOM声光调制器光开关或EOM电光调制器光开关，所述光开关控制器采取PID比例微分积分控制方法调节脉冲激光的占空比。

所述原子气室的外围依次向外设置有加热烤箱、线圈骨架与其支撑、铁氧体屏蔽层和坡莫合金屏蔽层。

所述原子气室的检测光输入侧依次通过第二偏振片和检测扩束镜连接检测激光器，所述原子气室的检测光输出侧依次通过沃拉斯顿棱镜和差分放大器连接数据采集系统。

包括以下步骤：

(1)高功率激光输入：为加强光与原子自旋的相互作用，激光的频率需要被调谐到碱金属电子基态与激发态间的共振频率。且该功率产生的抽运率应达到几倍于原子/电子自旋系综的弛豫率，其光功率密度为200mW/cm

(2)光开关产生脉冲光：对系统进行脉冲光抽运时，其抽运率R

系统准稳态时电子自旋系综的纵向极化率

取极短的脉冲周期，即T趋近于0，使得

(3)采用偏振器件产生使脉冲激光产生线偏振，再通过偏振分束棱镜将偏振激光分为反馈光和主路光，反馈光由光电探测放大器转化为电信号，主路光通过快轴与线偏振面夹角为45°的λ/4波片产生圆偏振光，对电子自旋系综进行极化；

(4)采用比例微分积分PID控制策略产生控制信号：光电探测放大器输出的电信号的直流分量与等效抽运率成正比，该直流分量为闭环反馈量，采用PID控制策略调节抽运光强或占空比，使反馈量与设定值的误差归零，即可稳定控制等效抽运率；

(5)调节脉冲光功率或占空比：根据控制信号驱动光开关调节抽运激光的抽运率R

对高功率抽运激光进行脉冲调制，当调制频率较高时，电子自旋系综的极化率趋于稳定；通过调节脉冲激光的抽运率与占空比，可以调节该脉冲激光对电子自旋系综的等效抽运率进行稳定控制。同时高的抽运率能够降低电子自旋系综的纵向极化梯度。

本发明的技术效果如下：本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，使用高频率、高功率的圆偏振共振激光脉冲对电子自旋系综进行极化，为保证电子自旋系综极化率相对稳定，计算了脉冲激光参数对电子自旋系综极化率的影响，将反馈光经光电探测器放大与低通滤波后得到的信号作为等效抽运率的反馈信号，采用比例积分微分控制策略，调节脉冲光的占空比或激光功率稳定等效抽运率与电子自旋系综纵向极化率。本方法能够抑制传统的高功率抽运对系统刻度系数的影响，又可实现电子自旋系综极化率的稳定控制，可用于光泵磁强计、SERF磁强计、SERF原子自旋陀螺等领域，有较强的拓展性与实用价值。

本发明的特点如下：原子对抽运激光有吸收的作用，该作用会带来电子自旋系综的极化率分量在抽运光方向的不均匀，在一般的光抽运系统中，需要采用功率较大的抽运光克服极化率分布的不均匀性。但大的抽运光功率又会带来系统有用信号输出减弱，降低系统的灵敏度与信噪比。本发明提出了基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法。采用脉冲光的方式对电子自旋系综进行极化，提升了电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性；利用声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)光开关调节抽运光的占空比，调节与稳定抽运光的抽运率，保证系统有用信号输出不受大功率抽运光的影响，提升系统的信噪比的长期稳定性。

附图说明

图1是实施本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法的流程示意图。图1中包括步骤1，高功率激光产生(例如，光功率密度在200mW/cm

图2是实施本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法的系统结构示意图。

附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-抽运扩束镜(包括两个透镜)；3-第一1/2波片(或λ/2波片)；4-第一偏振片；5-光开关(采用AOM光开关或EOM光开关，AOM，acousto-optic modulator，声光调制器，EOM，Electro-Optic Modulator，电光调制器)；6-第二偏振片；7-第一反射镜；8-光开关控制器；9-抽运激光(泛指整个抽运光或特指抽运激光器1与光开关5之间的抽运光路)；10-脉冲抽运激光(特指光开关5之后的抽运光路)；11-第一偏振分束棱镜；12-反馈光；13-1/4波片(λ/4波片)；14-数据采集系统；15-检测激光器；16-检测扩束镜(包括两个透镜)；17-第二偏振片；18-第二1/2波片；19-沃拉斯顿棱镜；20-差分放大器；21-主路光；22-坡莫合金屏蔽层；23-铁氧体屏蔽层；24-原子气室；25-加热烤箱；26-线圈骨架与其支撑；27-xyz笛卡尔坐标系。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。

图1是实施本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法的流程示意图。图2是实施本发明基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法的系统结构示意图。参考图1至图2所示，基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制方法，包括在抽运光路上通过设置光开关将来自抽运激光器的抽运激光转换成脉冲抽运激光，所述脉冲抽运激光对原子气室中的电子自旋系综进行极化以提升电子自旋系综在抽运光方向的极化率均匀性，通过调节所述脉冲抽运激光的占空比和/或脉冲激光抽运率以调节抽运激光对电子自旋系综的等效抽运率，进而实现对原子自旋系综极化率的稳定控制。

其中T表示脉冲抽运激光的脉冲周期，

其中R

光开关5的输入侧通过顺序串联第一偏振片4、第一1/2波片3和抽运扩束镜2连接抽运激光器1，所述光开关5的输出侧依次通过第二偏振片6和第一反射镜7连接第一偏振分束棱镜11，所述第一偏振分束棱镜11的反馈光12通过光电探测放大器连接光开关控制器8，所述光开关控制器8连接所述光开关5，所述第一偏振分束棱镜11的主路光21依次穿越1/4波片13和原子气室24。所述光开关5采用AOM声光调制器光开关或EOM电光调制器光开关，所述光开关控制器8采取PID比例微分积分控制方法调节脉冲激光的占空比。所述原子气室24的外围依次向外设置有加热烤箱25、线圈骨架与其支撑26、铁氧体屏蔽层23和坡莫合金屏蔽层22。所述原子气室24的检测光输入侧依次通过第二偏振片17和检测扩束镜16连接检测激光器15，所述原子气室24的检测光输出侧依次通过沃拉斯顿棱镜19和差分放大器20连接数据采集系统14。

光抽运原子极化、原子在外磁场下拉莫尔进动的动力学方程可以用下Bloch方程近似描述：

在图2的笛卡尔坐标系中，抽运光方向入射方向与z轴平行，检测光入射方向与x轴平行；“×”代表向量叉乘；t为时间；电子自旋系综极化率

对该系统进行脉冲光抽运时，抽运率的函数如式(2)所示，其抽运率是时间t的函数，R

在研究原子自旋纵向极化时，经常忽略极化率在外磁场B下的进动效应与检测光的横向抽运效应R

进一步化简有：

取极短的脉冲周期T趋近于0，使得

这里定义R

其中n为正整数，采用光电探测器放大器对抽运光束的反馈光进行监测，对采集到的信号低通滤波，若滤波器的截止频率f

本方法需要通过5个步骤实现基于高频脉冲光抽运的原子自旋系综极化率稳定控制。

步骤一：高功率激光输入

为加强光与原子自旋的相互作用，激光的频率需要被调谐到碱金属电子基态与激发态间的共振频率。且该功率产生的抽运率应达到几倍于原子(电子)自旋系综的弛豫率，其光功率密度应为200mW/cm

步骤二：光开关产生脉冲光

对系统进行脉冲光抽运时，其抽运率R

系统准稳态时电子自旋系综纵向极化率

取极短的脉冲周期T趋近于0，使得

步骤三：采用偏振器件产生使脉冲激光产生线偏振，再通过偏振分束棱镜将偏振激光分为反馈光和主路光。反馈光由光电探测放大器转化为电信号。主路光经过快轴与线偏振面夹角为45°的λ/4波片产生圆偏振光，对电子自旋系综进行极化。

步骤四：采用比例微分积分(PID)控制策略产生控制信号

光电探测放大器输出的电信号的直流分量与等效抽运率成正比，该直流分量为闭环反馈量，采用PID控制策略调节抽运光强或占空比，使反馈量与设定值的误差归零，即可稳定控制等效抽运率。

步骤五：调节脉冲光功率或占空比

根据控制信号驱动光开关调节抽运激光的抽运率R

对高功率抽运激光进行脉冲调制，当调制频率较高时，电子自旋系综的极化率趋于稳定；通过调节脉冲激光的抽运率与占空比，可以调节该脉冲激光对电子自旋系综的等效抽运率进行稳定控制。同时高的抽运率能够降低电子自旋系综的纵向极化梯度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。