專利名稱：一種富勒烯分子陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種富勒烯分子陀螺，對研制新一代基于原子自旋效應(yīng)的高精度、高穩(wěn)定、小體積的固態(tài)陀螺儀有著重要的價值，將服務(wù)于未來戰(zhàn)略武器裝備的慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)。
背景技術(shù)：
超高精度的慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)是戰(zhàn)略核潛艇、遠程戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航空母艦、遠程戰(zhàn)略轟炸機等戰(zhàn)略武器裝備的急需。超高精度的陀螺儀已經(jīng)成為提高各國未來戰(zhàn)略武器裝備威攝力的核心關(guān)鍵之一。陀螺儀技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了兩代發(fā)展。第一代陀螺儀為基于牛頓力學(xué)的轉(zhuǎn)子陀螺儀，主要包括三浮陀螺儀、靜電陀螺儀。第二代陀螺儀為基于波動光學(xué)的光學(xué)陀螺儀，主要包括激光陀螺儀與光纖陀螺儀。本世紀開始，隨著原子光子領(lǐng)域的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)突破，國外將超高精度陀螺儀的研究重點轉(zhuǎn)向了第三代陀螺儀——基于量子力學(xué)的原子陀螺儀，主要包括無自旋交換弛豫(SERF)原子自旋陀螺儀、冷原子干涉陀螺儀，以期在·超高精度陀螺儀領(lǐng)域取得跨越式發(fā)展。和機械陀螺儀和光學(xué)陀螺儀相比，基于原子量子效應(yīng)的原子陀螺儀具有超高靈敏超高精度的優(yōu)勢。其中，基于原子波動性質(zhì)的原子干涉陀螺相比于基于原子自旋效應(yīng)的原子自旋陀螺，其光場磁場控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，但測量精度高。原子自旋陀螺體積相對較小，而基于富勒烯的固態(tài)陀螺更可以實現(xiàn)更小體積下的高精度慣性測量。近年來，富勒烯分子材料作為一種新型的碳納米材料在光電、力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用不斷引起研究人員的極大關(guān)注。原子自旋陀螺一般采用一個堿金屬氣室，內(nèi)部含有約IO13個/Cm3的堿金屬原子，采用富勒烯晶體作為敏感元件，單位體積敏感原子數(shù)提升至1017 1018個/cm3 ;另外，對普通氣態(tài)原子自旋陀螺來說進行慣性測量時要保證堿金屬氣室內(nèi)原子處于SERF態(tài)下，必須將堿金屬氣室溫度嚴格控制在較高的溫度下，從而保證較好的SERF態(tài)性能，而基于富勒烯的固態(tài)陀螺儀，對溫度并無特別要求，可工作在室溫下；第三，制約SERF原子自旋陀螺儀精度進一步提高的主要原因是原子自旋之間的碰撞弛豫。該弛豫破壞了原子自旋的定軸性，降低了陀螺儀的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服基于氣態(tài)原子氣室的原子自旋陀螺的原子自旋碰撞破壞弛豫，提高單位體積內(nèi)敏感原子數(shù)，提供一種基于富勒烯分子的陀螺，能夠?qū)崿F(xiàn)較長的原子自旋弛豫時間，實現(xiàn)高精度新型的固態(tài)原子陀螺應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種富勒烯分子陀螺，其特征在于包括內(nèi)嵌富勒烯晶體10、內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3、地磁場補償模塊I、伺服框架2 ；內(nèi)嵌富勒烯晶體10作為富勒烯分子陀螺的核心敏感元件。內(nèi)嵌富勒烯晶體10由內(nèi)嵌富勒烯分子通過微結(jié)晶的方法實現(xiàn)限域組裝，內(nèi)嵌富勒烯分子為富勒烯碳籠內(nèi)嵌一個原子形成，通過操控和檢測內(nèi)嵌原子自旋可以獲得旋轉(zhuǎn)角速度和磁場信號。
內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3用于驅(qū)動組成內(nèi)嵌富勒烯晶體10的內(nèi)嵌富勒烯分子內(nèi)嵌原子的自旋極化，檢測內(nèi)嵌原子自旋進動信號，以獲取慣性測量信號；內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3安裝于伺服框架2內(nèi)，保證內(nèi)嵌富勒烯晶體10跟蹤慣性坐標系；由內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的內(nèi)嵌原子自旋進動信號包含了內(nèi)嵌原子對磁場和慣性測量獲得的信號，輸出的磁場測量信號輸入地磁場補償模塊I用于控制三維地磁場補償線圈補償?shù)卮艌?，輸出的慣性測量角速度信號輸入伺服框架2用于控制伺服框架跟蹤慣性坐標系O所述內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3包括內(nèi)嵌原子環(huán)境綜合保障部分42、內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43和內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分44 ；所述原子環(huán)境綜合保障部分42由磁屏蔽桶4、綜合溫度控制裝置9組成；磁屏蔽桶4在內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3的最外層，用于屏蔽地磁場剩磁和環(huán)境磁噪聲，保障內(nèi)嵌原子進行慣性測量時的磁環(huán)境；綜合溫度控制裝置9安裝于主磁場線圈6內(nèi)，位于內(nèi)嵌富勒烯晶體10、RF微波發(fā)生裝置11和熒光檢測裝置12外部，綜合溫度控制裝置9包括一組溫度傳感器、無磁加熱烤箱、集成化無磁加熱裝置，以實現(xiàn)固態(tài)原子陀螺測量穩(wěn)定性對IfT/·Hz172量級以下低磁噪聲溫度控制的要求；所述集成化無磁加熱裝置和一組溫度傳感器安裝于無磁加熱烤箱內(nèi)部，通過優(yōu)化設(shè)計使得無磁加熱裝置和一組溫度傳感器的安裝能夠保證烤箱內(nèi)部環(huán)境被均勻加熱并被穩(wěn)定控制；所述RF微波發(fā)生裝置11由一個RF線圈構(gòu)成或在內(nèi)嵌富勒烯晶體10上鋪設(shè)一條細銅線，通以高頻交流電，產(chǎn)生射頻磁場對富勒烯內(nèi)嵌原子能級進行操控來實現(xiàn)。所述內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43安裝于磁屏蔽桶4的內(nèi)部，內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43包括RF微波發(fā)生裝置11、主磁場線圈6、集成化泵浦激光器5、抽運光綜合控制光電模塊45 ;RF微波發(fā)生裝置11安裝在綜合溫度控制裝置9內(nèi)，靠近內(nèi)嵌富勒烯晶體10的位置，用于產(chǎn)生對內(nèi)嵌原子能級操控的頻率穩(wěn)定的射頻磁場或微波；主磁場線圈6安裝于綜合溫度控制裝置9的外部，用于產(chǎn)生操控內(nèi)嵌原子所需的均勻主磁場，所產(chǎn)生的磁場在內(nèi)嵌富勒烯晶體10所在的區(qū)域內(nèi)要求均勻性小于O. lpT/cm，磁場隨時間變化的穩(wěn)定性要求小于O. lpT/s ;集成化泵浦激光器5安裝在主磁場線圈6外，用于產(chǎn)生內(nèi)嵌原子自旋極化驅(qū)動抽運光；集成化泵浦激光器5受抽運光綜合控制光電模塊45反饋的頻率穩(wěn)定信號及功率穩(wěn)定信號的控制，產(chǎn)生頻率、功率穩(wěn)定的抽運激光，操控內(nèi)嵌原子的精細能級結(jié)構(gòu)；抽運光綜合控制光電模塊45各兀件按抽運光光路布置于集成化泵浦激光器5之后；工作時，RF微波發(fā)生裝置11、主磁場線圈6和集成化泵浦激光器5產(chǎn)生的抽運光同時作用與內(nèi)嵌富勒烯晶體10,主磁場線圈6先加一個大于500G的均勻穩(wěn)定的強磁場,稱合內(nèi)嵌原子的電子自旋和核自旋，然后磁場調(diào)弱至小于10G，以檢測自旋進動；所述內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分44包括熒光檢測裝置12、集成化檢測光激光器
7、檢測光綜合控制光電模塊46 ;熒光檢測裝置12由若干熒光檢測光電探測器組成，根據(jù)內(nèi)嵌富勒烯晶體10的體積和形狀用熒光檢測CCD進行信號的檢測，該信號給出作為基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號；所述檢測光綜合控制光電模塊46包括一個檢測光激光器7，受檢測光穩(wěn)頻控制電路26和檢測光功率穩(wěn)定控制電路29反饋的頻率、功率穩(wěn)定信號控制，產(chǎn)生功率穩(wěn)定的檢測光，用于光旋轉(zhuǎn)法檢測信號；基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的自旋進動角信號中包含兩部分信號磁場引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號和內(nèi)嵌富勒烯晶體10旋轉(zhuǎn)引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號；結(jié)合基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號實現(xiàn)基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的信號中慣性測量信號和磁場測量信號的解耦，分別輸出磁場信號和慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，磁場信號用于反饋回地磁補償模塊I實現(xiàn)高精度磁場補償，慣性測量信號用于反饋回伺服框架2實現(xiàn)對慣性坐標系的跟蹤。地磁場補償模塊I包括三維地磁場補償線圈和地磁場補償控制電路,其中三維地磁場補償線圈在富勒烯分子陀螺的最外層，用于補償?shù)卮艌?，三維地磁場補償線圈包括3組兩兩正交的亥姆赫茲線圈；地磁場補償控制電路輸出控制三維地磁場補償線圈中的電流以補償磁場，其控制輸入量為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的磁場測量信號。地磁場補償精度由測量得到的內(nèi)嵌原子磁場測量靈敏度決定。伺服框架2位于三維地磁場補償線圈內(nèi)，伺服框架2內(nèi)安裝內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3 ;伺服框架2包括機械框架和伺服電機，機械框架由伺服電機控制，伺服電機的輸入為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，伺服電機的輸出力矩控制機械框架使之跟蹤慣性坐標系。機械框架跟蹤慣性坐標系的精度由內(nèi)嵌原子慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度的靈敏度決定。 所述抽運光綜合控制光電模塊45包括實現(xiàn)控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率的多種光學(xué)元器件和控制電路。集成化泵浦激光器5發(fā)出的抽運光先通過抽運光光隔離器14，再通過抽運光針孔15。抽運光光隔離器14防止后面光學(xué)元器件的反射光進入集成化泵浦激光器5影響其性能，抽運光針孔15將抽運光除單模以外的其它橫模都濾除掉；然后抽運光經(jīng)第一分光鏡38，分出一束抽運光用于頻率穩(wěn)定，用于穩(wěn)定頻率的抽運光先通過抽運光穩(wěn)頻F-P腔16，抽運光穩(wěn)頻F-P腔17的出射光進入抽運光穩(wěn)頻光電探測器18檢測光束頻率的變化，抽運光穩(wěn)頻控制器16產(chǎn)生頻率控制信號反饋回激光器5 ；由第一分光鏡38分出的另一束抽運光繼續(xù)通過第二分光鏡39分出一束抽運光用于功率穩(wěn)定控制，用于抽運光功率穩(wěn)定控制的光束入射抽運光功率檢測光電探測器20，檢測信號輸入抽運光功率穩(wěn)定控制器19，抽運光功率穩(wěn)定控制器19反饋功率穩(wěn)定控制信號至集成化泵浦激光器5 ;由第二分光鏡分出的另一束抽運光先后通過抽運光格氏透鏡21和抽運光1/4玻片22得到高質(zhì)量的圓偏振抽運光，然后通過內(nèi)嵌富勒烯晶體10極化原子自旋后，最后入射抽運光飽和吸收檢測光電探測器23用于檢測飽和吸收狀態(tài)，抽運光飽和吸收檢測光電探測器23連接抽運光飽和吸收檢測控制器37，產(chǎn)生功率控制信號反饋回集成化泵浦激光器5，控制抽運光功率使富勒烯晶體10處于飽和吸收狀態(tài)；所述檢測光綜合控制光電模塊46包括控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率以及用于法拉第調(diào)制檢測的多種光學(xué)元器件和控制電路。檢測光激光器7產(chǎn)生檢測光后檢測光先通過檢測光光隔離器24，再通過檢測光針孔25 ;然后檢測光經(jīng)由第三分光鏡40分出一束光用于頻率穩(wěn)定，用于頻率穩(wěn)定的光束通過檢測光穩(wěn)頻F-P腔28，然后入射檢測光穩(wěn)頻光電探測器27，其輸出的光強信號輸入檢測光穩(wěn)頻控制器26，檢測光穩(wěn)頻控制器26輸出反饋回檢測光激光器7實現(xiàn)穩(wěn)頻。檢測光通過第三分光鏡40后分出的另一束光經(jīng)由第四分光鏡41再次分出一束用于功率穩(wěn)定。用于功率穩(wěn)定的光束入射檢測光功率穩(wěn)定光電探測器30,產(chǎn)生的光強信號輸入檢測光功率穩(wěn)定控制器29,檢測光功率穩(wěn)定控制器29反饋功率穩(wěn)定信號至檢測光激光器7。由第四分光鏡41分出的另一束光作為最后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體10的檢測光，進入偏振光法拉第調(diào)制檢測模塊進行偏振方向的調(diào)制以便于內(nèi)嵌原子自旋進動角的檢測。檢測光束經(jīng)第四分光鏡41分出后先后通過檢測光起偏格氏透鏡31和法拉第調(diào)制器8，對檢測光偏振方向進行調(diào)制后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體10，然后通過檢測光檢偏格氏透鏡34 ;檢測光起偏格氏透鏡31和檢測光檢偏格氏透鏡34安裝時要求二者的光軸方向相互嚴格正交；法拉第調(diào)制器8對偏振光偏振方向進行調(diào)制，用法拉第調(diào)制器溫度控制器32控制法拉第調(diào)制器8中的法拉第磁光晶體溫度，以致磁光晶體維爾德系數(shù)的隨溫度的漂移；最后入射檢測光偏振檢測光電探測器13，其輸出通過內(nèi)嵌原子自旋進動角檢測電路35運算獲取內(nèi)嵌原子自旋敏感到的磁場和慣性旋轉(zhuǎn)角速度信號，結(jié)果輸入法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器36，由法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器36輸出反饋控制信號給法拉第調(diào)制器8、伺服框架2實現(xiàn)檢測光偏振轉(zhuǎn)角的零位測量和伺服框架跟蹤慣性坐標系。本發(fā)明的原理本發(fā)明基于內(nèi)嵌原子自旋光旋轉(zhuǎn)檢測的富勒烯分子陀螺的基本原理為如圖2所示，通過射頻磁場與激光對內(nèi)嵌原子電子進行極化，使電子自旋具有宏觀指向一致性，再通過配合磁場操控下的電子-核子自旋耦合，使核自旋與電子自旋宏觀空間指向一致，從而在慣性空間定軸。主磁場線圈施加高均勻度、高時間穩(wěn)定的主磁場，原子感受到該磁場在慣性空間中得旋轉(zhuǎn)，電子產(chǎn)生躍遷釋放出熒光，檢測熒光強度，基于Berry幾 何相獲得旋轉(zhuǎn)角速度信號。再用一束線偏振光經(jīng)過富勒烯晶體產(chǎn)生光旋轉(zhuǎn)，檢測光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度表征了內(nèi)嵌原子自旋指向的宏觀進動角，耦合了內(nèi)嵌原子對磁場的敏感信號以及內(nèi)嵌原子對旋轉(zhuǎn)引起的慣性信號，將該光旋轉(zhuǎn)信號利用熒光檢測信號進行解耦獲得磁場信號反饋回地磁場補償線圈及主磁場線圈進行地磁補償，去除富勒烯晶體敏感的磁場信號，最終獲得高精度慣性測量信號。本發(fā)明的原理本發(fā)明基于內(nèi)嵌原子自旋光旋轉(zhuǎn)檢測的富勒烯分子陀螺的基本原理為如圖2所示，通過射頻磁場與激光對內(nèi)嵌原子電子進行極化，使電子自旋具有宏觀指向一致性，再通過配合磁場操控下的電子-核子自旋耦合，使核自旋與電子自旋宏觀空間指向一致，從而在慣性空間定軸。主磁場線圈施加高均勻度、高時間穩(wěn)定的主磁場，原子感受到該磁場在慣性空間中得旋轉(zhuǎn)，電子產(chǎn)生躍遷釋放出熒光，檢測熒光強度，基于Berry幾何相獲得旋轉(zhuǎn)角速度信號。再用一束線偏振光經(jīng)過富勒烯晶體產(chǎn)生光旋轉(zhuǎn)，檢測光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度表征了內(nèi)嵌原子自旋指向的宏觀進動角，耦合了內(nèi)嵌原子對磁場的敏感信號以及內(nèi)嵌原子對旋轉(zhuǎn)引起的慣性信號，將該光旋轉(zhuǎn)信號利用熒光檢測信號進行解耦獲得磁場信號反饋回地磁場補償線圈及主磁場線圈進行地磁補償，去除富勒烯晶體敏感的磁場信號，最終獲得高精度慣性測量信號?；贐erry幾何相的富勒烯分子陀螺的基本原理為考慮一個量子體系，其哈密頓量依賴于磁場，依周期演化，體系的量子態(tài)隨時間的演化遵守含時薛定諤方程，在滿足絕熱定理的條件下，相位按時間演化的結(jié)果中存在一個絕熱相，該絕熱相不依賴于以磁場為參量的路徑如何行走，稱為Berry幾何相。利用斯托克斯定理化為路徑積分為參數(shù)空間中的面積分，形式上，可獲得與磁矢勢有關(guān)的表達式，則絕熱相的內(nèi)涵即為以磁場矢量端點劃出的路徑為邊界的曲面的磁通量,對應(yīng)于磁場轉(zhuǎn)過的立體角的大小?；贐erry幾何相的富勒烯分子陀螺即檢測此立體角大小獲得載體旋轉(zhuǎn)引起的陀螺慣性信號。基于光旋轉(zhuǎn)檢測磁場與慣性信號的基本原理為將富勒烯內(nèi)嵌的原子通過磁場和光場操控實現(xiàn)極化后，內(nèi)嵌原子自旋具有相同的宏觀指向，和抽運光的方向相同。這時如果抽運光方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則和內(nèi)嵌原子自旋宏觀指向產(chǎn)生夾角，稱為自旋進動角。同時，如果內(nèi)嵌原子感受到磁場，則磁場和內(nèi)嵌原子自旋相互作用亦使得內(nèi)嵌原子產(chǎn)生自旋進動角。線偏振檢測光這時通過富勒烯晶體，受內(nèi)嵌原子作用將會使得偏振方向旋轉(zhuǎn)，稱之為光旋轉(zhuǎn)，利用該旋轉(zhuǎn)角度信號即可獲得磁場與慣性的敏感信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于相比于以氣態(tài)原子為敏感元的原子自旋陀螺，由于利用富勒烯碳籠對原子分子實現(xiàn)了囚禁，使得原子間碰撞得以避免，同時通過微結(jié)晶準固態(tài)成型技術(shù)，使單位體積內(nèi)敏感原子數(shù)目提高了 4至5個數(shù)量級，從而既保證了較長的原子自旋弛豫時間，同時還保證了敏感原子的高密度，實現(xiàn)高精度富勒烯分子陀螺。基于富勒烯的分子陀螺是一類固態(tài)陀螺，具有熱穩(wěn)定性好的特點，對工作溫度沒有特別的要求，可實現(xiàn)室溫下的測量裝置。此外，這一類固態(tài)原子陀螺具有體積小的特點。


圖I為本發(fā)明的原理框圖；
圖2為本發(fā)明的光電綜合控制檢測部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的內(nèi)嵌原子環(huán)境綜合保障部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，本發(fā)明包括內(nèi)嵌富勒烯晶體10、內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊
3、地磁場補償模塊I、伺服框架2 ；內(nèi)嵌富勒烯晶體10作為富勒烯分子陀螺的核心敏感元件。內(nèi)嵌富勒烯晶體10由內(nèi)嵌富勒烯分子通過微結(jié)晶的方法實現(xiàn)限域組裝，內(nèi)嵌富勒烯分子為富勒烯碳籠內(nèi)嵌一個原子形成，通過操控和檢測內(nèi)嵌原子自旋可以獲得超高靈敏的旋轉(zhuǎn)角速度和磁場信號。內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3用于驅(qū)動組成內(nèi)嵌富勒烯晶體10的內(nèi)嵌富勒烯分子內(nèi)嵌原子的自旋極化，檢測內(nèi)嵌原子自旋進動信號，以獲取慣性測量信號；內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3安裝于伺服框架2內(nèi)，保證內(nèi)嵌富勒烯晶體10跟蹤慣性坐標系；由內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的內(nèi)嵌原子自旋進動信號包含了內(nèi)嵌原子對磁場和慣性測量獲得的信號，輸出的磁場測量信號輸入地磁場補償模塊I用于控制三維地磁場補償線圈補償?shù)卮艌觯敵龅膽T性測量角速度信號輸入伺服框架2用于控制伺服框架跟蹤慣性坐標系O內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3包括內(nèi)嵌原子環(huán)境綜合保障部分42、內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43和內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分44 ；所述原子環(huán)境綜合保障部分42由磁屏蔽桶4、綜合溫度控制裝置9組成；磁屏蔽桶4在內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3的最外層，用于屏蔽地磁場剩磁和環(huán)境磁噪聲，保障內(nèi)嵌原子進行慣性測量時的磁環(huán)境；綜合溫度控制裝置9安裝于主磁場線圈6內(nèi)，位于內(nèi)嵌富勒烯晶體10、RF微波發(fā)生裝置11和熒光檢測裝置12外部，綜合溫度控制裝置9包括一組溫度傳感器、無磁加熱烤箱、集成化無磁加熱裝置，以實現(xiàn)固態(tài)原子陀螺測量穩(wěn)定性對IfT/Hz172量級以下低磁噪聲溫度控制的要求；所述集成化無磁加熱裝置和一組溫度傳感器安裝于無磁加熱烤箱內(nèi)部，通過優(yōu)化設(shè)計使得無磁加熱裝置和一組溫度傳感器的安裝能夠保證烤箱內(nèi)部環(huán)境被均勻加熱并被穩(wěn)定控制；所述RF微波發(fā)生裝置11由一個RF線圈構(gòu)成或在內(nèi)嵌富勒烯晶體10上鋪設(shè)一條細銅線，通以高頻交流電，產(chǎn)生射頻磁場對富勒烯內(nèi)嵌原子能級進行操控來實現(xiàn)。內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43安裝于磁屏蔽桶4的內(nèi)部，內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分43包括RF微波發(fā)生裝置11、主磁場線圈6、集成化泵浦激光器5、抽運光綜合控制光電模塊45 ;RF微波發(fā)生裝置11安裝在綜合溫度控制裝置9內(nèi)，靠近內(nèi)嵌富勒烯晶體10的位置，用于產(chǎn)生對內(nèi)嵌原子能級操控的頻率穩(wěn)定的射頻磁場或微波；主磁場線圈6安裝于綜合溫度控制裝置9的外部，用于產(chǎn)生操控內(nèi)嵌原子所需的均勻主磁場，所產(chǎn)生的磁場在內(nèi)嵌富勒烯晶體10所在的區(qū)域內(nèi)要求均勻性小于O. lpT/cm，磁場隨時間變化的穩(wěn)定性要求小于O. lpT/s ;集成化泵浦激光器5安裝在主磁場線圈6外，用于產(chǎn)生內(nèi)嵌原子自旋極化驅(qū)動抽運光；集成化泵浦激光器5受抽運光綜合控制光電模塊45反饋的頻率穩(wěn)定信號及功率穩(wěn)定信號的控制，產(chǎn)生頻率、功率穩(wěn)定的抽運激光，操控內(nèi)嵌原子的精細能級結(jié)構(gòu)；抽運光綜合控制光電模塊45中各兀件按抽運光光路布置于集成化泵浦激光器5之后；工作時，RF微波發(fā)生裝置11、主磁場線圈6和集成化泵浦激光器5產(chǎn)生的抽運光同時作用與內(nèi)嵌富勒烯晶體10,主磁場線圈6先加一個大于500G的均勻穩(wěn)定的強磁場,稱合內(nèi)嵌原子的電子自旋和核自旋，然后磁場調(diào)弱至小于10G，以檢測自旋進動；
內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分44包括熒光檢測裝置12、集成化檢測光激光器7、檢測光綜合控制光電模塊46 ;熒光檢測裝置12由若干熒光檢測光電探測器組成，根據(jù)內(nèi)嵌富勒烯晶體10的體積和形狀用熒光檢測CCD進行信號的檢測，該信號給出作為基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號；所述檢測光綜合控制光電模塊46包括一個檢測光激光器7，受檢測光穩(wěn)頻控制電路26和檢測光功率穩(wěn)定控制電路29反饋的頻率、功率穩(wěn)定信號控制，產(chǎn)生功率穩(wěn)定的檢測光，用于光旋轉(zhuǎn)法檢測信號；基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的自旋進動角信號中包含兩部分信號磁場引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號和內(nèi)嵌富勒烯晶體10旋轉(zhuǎn)引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號；結(jié)合基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號實現(xiàn)基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的信號中慣性測量信號和磁場測量信號的解耦，分別輸出磁場信號和慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，磁場信號用于反饋回地磁補償模塊I實現(xiàn)高精度磁場補償，慣性測量信號用于反饋回伺服框架2實現(xiàn)對慣性坐標系的跟蹤。地磁場補償模塊I包括三維地磁場補償線圈和地磁場補償控制電路,其中三維地磁場補償線圈在富勒烯分子陀螺的最外層，用于補償?shù)卮艌觯S地磁場補償線圈包括3組兩兩正交的亥姆赫茲線圈；地磁場補償控制電路輸出控制三維地磁場補償線圈中的電流以補償磁場，其控制輸入量為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的磁場測量信號。地磁場補償精度由測量得到的內(nèi)嵌原子磁場測量靈敏度決定。伺服框架2位于三維地磁場補償線圈內(nèi)，伺服框架2內(nèi)安裝內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3 ;伺服框架2包括機械框架和伺服電機，機械框架由伺服電機控制，伺服電機的輸入為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，伺服電機的輸出力矩控制機械框架使之跟蹤慣性坐標系。機械框架跟蹤慣性坐標系的精度由內(nèi)嵌原子慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度的靈敏度決定。抽運光綜合控制光電模塊45包括實現(xiàn)控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率的多種光學(xué)元器件和控制電路。集成化泵浦激光器5發(fā)出的抽運光先通過抽運光光隔離器14，再通過抽運光針孔15。抽運光光隔離器14防止后面光學(xué)元器件的反射光進入集成化泵浦激光器5影響其性能，抽運光針孔15將抽運光除單模以外的其它橫模都濾除掉；然后抽運光經(jīng)第一分光鏡38，分出一束抽運光用于頻率穩(wěn)定，用于穩(wěn)定頻率的抽運光先通過抽運光穩(wěn)頻F-P腔16，抽運光穩(wěn)頻F-P腔17的出射光進入抽運光穩(wěn)頻光電探測器18檢測光束頻率的變化，抽運光穩(wěn)頻控制器16產(chǎn)生頻率控制信號反饋回激光器5 ；由第一分光鏡38分出的另一束抽運光繼續(xù)通過第二分光鏡39分出一束抽運光用于功率穩(wěn)定控制，用于抽運光功率穩(wěn)定控制的光束入射抽運光功率檢測光電探測器20，檢測信號輸入抽運光功率穩(wěn)定控制器19，抽運光功率穩(wěn)定控制器19反饋功率穩(wěn)定控制信號至集成化泵浦激光器5 ;由第二分光鏡分出的另一束抽運光先后通過抽運光格氏透鏡21和抽運光1/4玻片22得到高質(zhì)量的圓偏振抽運光，然后通過內(nèi)嵌富勒烯晶體10極化原子自旋后，最后入射抽運光飽和吸收檢測光電探測器23用于檢測飽和吸收狀態(tài)，抽運光飽和吸收檢測光電探測器23連接抽運光飽和吸收檢測控制器37，產(chǎn)生功率控制信號反饋回集成化泵浦激光器5，控制抽運光功率使富勒烯晶體10處于飽和吸收狀態(tài)；檢測光綜合控制光電模塊46包括控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率以及用于法拉第調(diào)制檢測的多種光學(xué)元器件和控制電路。檢測光激光器7產(chǎn)生檢測光后檢測光先通過檢測光光隔離器24，再通過檢測光針孔25 ;然后檢測光經(jīng)由第三分光鏡40分出一束光用于頻率穩(wěn)定，用于頻率穩(wěn)定的光束通過檢測光穩(wěn)頻F-P腔28，然后入·射檢測光穩(wěn)頻光電探測器27，其輸出的光強信號輸入檢測光穩(wěn)頻控制器26，檢測光穩(wěn)頻控制器26輸出反饋回檢測光激光器7實現(xiàn)穩(wěn)頻。檢測光通過第三分光鏡40后分出的另一束光經(jīng)由第四分光鏡41再次分出一束用于功率穩(wěn)定。用于功率穩(wěn)定的光束入射檢測光功率穩(wěn)定光電探測器30,產(chǎn)生的光強信號輸入檢測光功率穩(wěn)定控制器29,檢測光功率穩(wěn)定控制器29反饋功率穩(wěn)定信號至檢測光激光器7。由第四分光鏡41分出的另一束光作為最后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體10的檢測光，進入偏振光法拉第調(diào)制檢測模塊進行偏振方向的調(diào)制以便于內(nèi)嵌原子自旋進動角的檢測。檢測光束經(jīng)第四分光鏡41分出后先后通過檢測光起偏格氏透鏡31和法拉第調(diào)制器8，對檢測光偏振方向進行調(diào)制后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體10，然后通過檢測光檢偏格氏透鏡34 ;檢測光起偏格氏透鏡31和檢測光檢偏格氏透鏡34安裝時要求二者的光軸方向相互嚴格正交；法拉第調(diào)制器8對偏振光偏振方向進行調(diào)制，用法拉第調(diào)制器溫度控制器32控制法拉第調(diào)制器8中的法拉第磁光晶體溫度，以致磁光晶體維爾德系數(shù)的隨溫度的漂移；最后入射檢測光偏振檢測光電探測器13，其輸出通過內(nèi)嵌原子自旋進動角檢測電路35運算獲取內(nèi)嵌原子自旋敏感到的磁場和慣性旋轉(zhuǎn)角速度信號，結(jié)果輸入法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器36，由法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器36輸出反饋控制信號給法拉第調(diào)制器8、伺服框架2實現(xiàn)檢測光偏振轉(zhuǎn)角的零位測量和伺服框架跟蹤慣性坐標系。以上為一種富勒烯分子陀螺的主要構(gòu)成，下面介紹一種富勒烯分子陀螺的工作方式首先通過地磁場補償模塊1，利用內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的磁場測量信號進行反饋，使用地磁場補償線圈進行地磁補償，使得內(nèi)嵌富勒烯晶體10處剩余磁場及磁噪聲強度被抑制到低于內(nèi)嵌原子對磁場敏感的靈敏度之內(nèi)；使用磁屏蔽桶4進行剩磁和磁噪聲的屏蔽，磁屏蔽桶4利用一層高導(dǎo)磁材料屏蔽地磁場剩磁，利用一層低導(dǎo)磁高導(dǎo)電材料對磁噪聲進行屏蔽，通過上述手段可以實現(xiàn)基于原子自旋的慣性測量介質(zhì)磁環(huán)境的保證。采用原子綜合操控檢測模塊3通過內(nèi)嵌富勒烯10測磁場對地磁場補償進行反饋時不進行慣性測量，且反饋頻率遠低于慣性測量頻率，利用磁場測量結(jié)果反饋和補償進行慣性測量剩余磁場和磁噪聲造成的誤差。另外，采用綜合溫度控制裝置9控制敏感介質(zhì)的熱環(huán)境，利用無磁加熱裝置控制恒溫箱內(nèi)溫度，保證內(nèi)嵌富勒烯10所處位置的熱環(huán)境，實現(xiàn)一種富勒烯分子陀螺在長時間下的工作穩(wěn)定性，保證慣性測量精度。采用伺服框架2，包括機械框架和伺服電機，機械框架由伺服電機控制，伺服電機的輸入為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊3輸出的慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，伺服電機的輸出力矩控制機械框架使之跟蹤慣性坐標系。機械框架跟蹤慣性坐標系的精度由內(nèi)嵌原子慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度的靈敏度決定。采用射頻微波和光學(xué)手段對內(nèi)嵌原子進行綜合操控。在富勒烯分子材料附近按同一方向繞制RF微波發(fā)生裝置11的線圈，內(nèi)部通以高頻交流電產(chǎn)生射頻磁場，對內(nèi)嵌原子單態(tài)和三重態(tài)進行能級間操控。通過特定頻率的圓偏振光對內(nèi)嵌原子進行飽和抽運，對內(nèi)嵌原子的超精細能級進行操控，進而操控原子自旋(電子自旋及核自旋)。集成化泵浦激光器5產(chǎn)生滿足內(nèi)嵌原子超精細能級躍遷頻率的激光。抽運光先通過抽運光光隔離器14，只允許激光單向通過，防止后續(xù)器件反射光對激光器的影響。然后光束通過抽運光針孔15，將 光束中除單模外其它模式的光都濾掉。通過第一分光鏡38分出一束光進入抽運光穩(wěn)頻F-P腔17，由于抽運光穩(wěn)頻F-P腔17模式已選定，若激光頻率產(chǎn)生偏移，則出射光光強變?nèi)?，抽運光穩(wěn)頻光電探測器18接收到的光強信號便會由抽運光穩(wěn)頻控制器16反饋至集成化泵浦激光器5,從而實現(xiàn)激光穩(wěn)頻。穩(wěn)頻后出射光功率基本穩(wěn)定，再通過第二分光鏡39分出一束光進入抽運光功率穩(wěn)定光電探測器20檢測光功率，通過抽運光功率穩(wěn)定控制器19反饋至集成化泵浦激光器5實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。經(jīng)穩(wěn)頻、穩(wěn)功率后激光通過抽運光格氏透鏡21和抽運光1/4玻片22得到高質(zhì)量圓偏振光，入射富勒烯晶體10，后面安放飽和吸收檢測光電探測器23檢測出射光強，以判斷抽運光是否被飽和吸收。飽和吸收檢測光電探測器23信號接入飽和吸收檢測控制器37反饋至集成化泵浦激光器5，控制激光功率使富勒烯晶體對抽運光飽和吸收。對富勒烯分子內(nèi)嵌原子的躍遷熒光檢測的具體方法為根據(jù)富勒烯晶體的大小、形狀在富勒烯晶體10周圍布置一圈高精度光電探測器，直接檢測熒光光強。采用光旋轉(zhuǎn)檢進行對富勒烯晶體內(nèi)嵌原子自旋進動的高精度檢測。檢測光激光器7用于產(chǎn)生遠失諧于抽運光頻率的檢測激光。通過檢測光光隔離器24和檢測光針孔25實現(xiàn)光束質(zhì)量的控制，然后用第三分光鏡40分出一束光，利用檢測光穩(wěn)頻F-P腔28、檢測光穩(wěn)頻光電探測器27、檢測光穩(wěn)頻控制器26對檢測光進行穩(wěn)頻控制。使用分光鏡分出一束光利用檢測光功率穩(wěn)定光電探測器30、檢測光功率穩(wěn)定控制器29對檢測光進行穩(wěn)功率控制。隨后檢測光通過檢測光起偏格氏透鏡31成為線偏振光。利用膠粘的方式將起偏器的位置固定住，避免因振動等環(huán)境因素引起的檢測光起偏格氏透鏡31和檢測光檢偏格氏透鏡34的垂直關(guān)系的漂移。得到的線偏振光隨后進入法拉第調(diào)制器8對偏振方向進行調(diào)制。利用法拉第調(diào)制器溫控裝置33對磁光晶體溫度進行控制，使磁光晶體的維德爾系數(shù)不隨溫度變化而漂移。最后偏振光通過與檢測光起偏格氏透鏡31偏振方向垂直的檢測光檢偏格氏透鏡34，由檢測光偏振檢測光電探測器13檢測光強信號。根據(jù)法拉第調(diào)制檢測原理，檢測光偏振檢測光電探測器13輸出的光強信號進入內(nèi)嵌原子自旋進動角檢測電路35得到檢測光經(jīng)過富勒烯晶體后偏振方向的偏轉(zhuǎn)角，該信號輸入控制器控制法拉第調(diào)制器8輸入電流偏置，使經(jīng)過富勒烯晶體10后總的偏轉(zhuǎn)角保持在零位，這樣內(nèi)嵌原子自旋進動角檢測電路35的輸出即為檢測光通過富勒烯晶體10偏轉(zhuǎn)角的大小，從而實現(xiàn)了內(nèi)嵌原子自旋進動的高精度檢測。原子綜合操控檢測模塊3檢測獲得的熒光光強信號包含了載體旋轉(zhuǎn)角速度的信號，內(nèi)嵌原子自旋進動信號包括了磁場測量信號和慣性測量載體旋轉(zhuǎn)角速度的信號，使用卡爾曼濾波的方法可以組合熒光光強信號和內(nèi)嵌原子自旋進動信號從而最終得到磁場測量信號和載體旋轉(zhuǎn)角速度信號，二者分別反饋回地磁場補償模塊和伺服框架，實現(xiàn)磁場補償和慣性坐標系的跟蹤。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。·
權(quán)利要求
1.一種富勒烯分子陀螺，其特征在于包括內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)、內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3 )、地磁場補償模塊(I)、伺服框架(2 ); 內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)作為富勒烯分子陀螺的核心敏感元件；內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)由內(nèi)嵌富勒烯分子通過微結(jié)晶的方法實現(xiàn)限域組裝，內(nèi)嵌富勒烯分子為富勒烯碳籠內(nèi)嵌一個原子形成，通過操控和檢測內(nèi)嵌原子自旋獲得旋轉(zhuǎn)角速度和磁場信號； 內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)用于驅(qū)動組成內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)的內(nèi)嵌富勒烯分子內(nèi)嵌原子的自旋極化，檢測內(nèi)嵌原子自旋進動信號，以獲取慣性測量信號；內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)安裝于伺服框架(2)內(nèi)，保證內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)跟蹤慣性坐標系；由內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)輸出的內(nèi)嵌原子自旋進動信號包含了內(nèi)嵌原子對磁場和慣性測量獲得的信號，輸出的磁場測量信號輸入地磁場補償模塊(I)用于控制三維地磁場補償線圈補償?shù)卮艌?，輸出的慣性測量角速度信號輸入伺服框架(2)用于控制伺服框架跟蹤慣性坐標系； 所述內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)包括內(nèi)嵌原子環(huán)境綜合保障部分(42)、內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分(43)和內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分(44)； 所述原子環(huán)境綜合保障部分(42)由磁屏蔽桶(4)、綜合溫度控制裝置(9)組成；磁屏蔽桶(4)在內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)的最外層，用于屏蔽地磁場剩磁和環(huán)境磁噪聲，保障內(nèi)嵌原子進行慣性測量時的磁環(huán)境；綜合溫度控制裝置(9)安裝于主磁場線圈(6)內(nèi)，位于內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)、RF微波發(fā)生裝置(11)和熒光檢測裝置(12)外部，綜合溫度控制裝置(9)包括一組溫度傳感器、無磁加熱烤箱、集成化無磁加熱裝置，以實現(xiàn)固態(tài)原子陀螺測量穩(wěn)定性對lfT/Hz1/2量級以下低磁噪聲溫度控制的要求；所述集成化無磁加熱裝置和一組溫度傳感器安裝于無磁加熱烤箱內(nèi)部，通過優(yōu)化設(shè)計使得無磁加熱裝置和一組溫度傳感器的安裝能夠保證烤箱內(nèi)部環(huán)境被均勻加熱并被穩(wěn)定控制；所述RF微波發(fā)生裝置(11)由一個RF線圈構(gòu)成或在內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)上鋪設(shè)一條細銅線，通以高頻交流電，產(chǎn)生射頻磁場對富勒烯內(nèi)嵌原子能級進行操控來實現(xiàn)； 所述內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分(43)安裝于磁屏蔽桶(4)的內(nèi)部，內(nèi)嵌原子自旋綜合調(diào)控部分(43)包括RF微波發(fā)生裝置(11)、主磁場線圈￠)、集成化泵浦激光器(5)、抽運光綜合控制光電模塊(45) ;RF微波發(fā)生裝置(11)安裝在綜合溫度控制裝置(9)內(nèi)，靠近內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)的位置，用于產(chǎn)生對內(nèi)嵌原子能級操控的頻率穩(wěn)定的射頻磁場或微波；主磁場線圈(6)安裝于綜合溫度控制裝置(9)的外部，用于產(chǎn)生操控內(nèi)嵌原子所需的均勻主磁場，所產(chǎn)生的磁場在內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)所在的區(qū)域內(nèi)要求均勻性小于O. lpT/cm，磁場隨時間變化的穩(wěn)定性要求小于O. lpT/s ;集成化泵浦激光器(5)安裝在主磁場線圈(6)外，用于產(chǎn)生內(nèi)嵌原子自旋極化驅(qū)動抽運光；集成化泵浦激光器(5)受抽運光綜合控制光電模塊(45)反饋的頻率穩(wěn)定信號及功率穩(wěn)定信號的控制，產(chǎn)生頻率、功率穩(wěn)定的抽運激光，操控內(nèi)嵌原子的精細能級結(jié)構(gòu)；抽運光綜合控制光電模塊(45)各元件按抽運光光路布置于集成化泵浦激光器(5)之后；工作時，RF微波發(fā)生裝置(11)、主磁場線圈(6)和集成化泵浦激光器(5)產(chǎn)生的抽運光同時作用與內(nèi)嵌富勒烯晶體(10),主磁場線圈(6)先加一個大于500G的均勻穩(wěn)定的強磁場，耦合內(nèi)嵌原子的電子自旋和核自旋，然后磁場調(diào)弱至小于10G，以檢測自旋進動； 所述內(nèi)嵌原子自旋信號檢測部分(44)包括熒光檢測裝置(12)、集成化檢測光激光器(7)、檢測光綜合控制光電模塊(46);熒光檢測裝置(12)由若干熒光檢測光電探測器組成，根據(jù)內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)的體積和形狀用熒光檢測CCD進行信號的檢測，該信號給出作為基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號；所述檢測光綜合控制光電模塊(46)包括一個檢測光激光器(7)，受檢測光穩(wěn)頻控制電路(26)和檢測光功率穩(wěn)定控制電路(29)反饋的頻率、功率穩(wěn)定信號控制，產(chǎn)生功率穩(wěn)定的檢測光，用于光旋轉(zhuǎn)法檢測信號；基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的自旋進動角信號中包含兩部分信號磁場引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號和內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)旋轉(zhuǎn)引起的內(nèi)嵌原子自旋進動信號；結(jié)合基于幾何相，即Berry相原理的陀螺進動角速度信號實現(xiàn)基于偏振光旋轉(zhuǎn)法檢測得到的信號中慣性測量信號和磁場測量信號的解耦，分別輸出磁場信號和慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，磁場信號用于反饋回地磁補償模塊(I)實現(xiàn)高精度磁場補償，慣性測量信號用于反饋回伺服框架(2)實現(xiàn)對慣性坐標系的跟蹤； 地磁場補償模塊(I)包括三維地磁場補償線圈和地磁場補償控制電路，其中三維地磁場補償線圈在富勒烯分子陀螺的最外層，用于補償?shù)卮艌?，三維地磁場補償線圈包括3組兩兩正交的亥姆赫茲線圈；地磁場補償控制電路輸出控制三維地磁場補償線圈中的電流以補償磁場，其控制輸入量為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)輸出的磁場測量信號。地磁場補償精度由測量得到的內(nèi)嵌原子磁場測量靈敏度決定； 伺服框架(2)位于三維地磁場補償線圈內(nèi)，伺服框架(2)內(nèi)安裝內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3);伺服框架(2)包括機械框架和伺服電機，機械框架由伺服電機控制，伺服電機的輸入為內(nèi)嵌原子綜合操控檢測模塊(3)輸出的慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度信號，伺服電機的輸出力矩控制機械框架使之跟蹤慣性坐標系，機械框架跟蹤慣性坐標系的精度由內(nèi)嵌原子慣性測量旋轉(zhuǎn)角速度的靈敏度決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的富勒烯分子陀螺，其特征在于所述抽運光綜合控制光電模塊(45)包括實現(xiàn)控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率的多種光學(xué)兀器件和控制電路；集成化泵浦激光器(5)發(fā)出的抽運光先通過抽運光光隔離器(14)，再通過抽運光針孔(15)。抽運光光隔離器(14)防止后面光學(xué)元器件的反射光進入集成化泵浦激光器(5)影響其性能，抽運光針孔(15)將抽運光除單模以外的其它橫模都濾除掉；然后抽運光經(jīng)第一分光鏡(38)，分出一束抽運光用于頻率穩(wěn)定，用于穩(wěn)定頻率的抽運光先通過抽運光穩(wěn)頻F-P腔(16)，抽運光穩(wěn)頻F-P腔(17)的出射光進入抽運光穩(wěn)頻光電探測器(18)檢測光束頻率的變化，抽運光穩(wěn)頻控制器(16)產(chǎn)生頻率控制信號反饋回激光器(5);由第一分光鏡(38)分出的另一束抽運光繼續(xù)通過第二分光鏡(39)分出一束抽運光用于功率穩(wěn)定控制，用于抽運光功率穩(wěn)定控制的光束入射抽運光功率檢測光電探測器(20)，檢測信號輸入抽運光功率穩(wěn)定控制器(19)，抽運光功率穩(wěn)定控制器(19)反饋功率穩(wěn)定控制彳目號至集成化泵浦激光器(5);由第二分光鏡分出的另一束抽運光先后通過抽運光格氏透鏡(21)和抽運光1/4玻片(22)得到高質(zhì)量的圓偏振抽運光，然后通過內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)極化原子自旋，最后入射用■抽運光飽和吸收檢測光電探測器(23)用于檢測飽和吸收狀態(tài)，抽運光飽和吸收檢測光電探測器(23)連接抽運光飽和吸收檢測控制器(37)，產(chǎn)生功率控制信號反饋回集成化泵浦激光器(5)，控制抽運光功率使富勒烯晶體(10)處于飽和吸收狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的富勒烯分子陀螺，其特征在于所述檢測光綜合控制光電模塊(46)包括控制抽運光光束質(zhì)量、偏振質(zhì)量和實現(xiàn)抽運光穩(wěn)頻穩(wěn)功率以及用于法拉弟調(diào)制檢測的多種光學(xué)元器件和控制電路。檢測光激光器(7)產(chǎn)生檢測光后檢測光先通過檢測光光隔離器(24)，再通過檢測光針孔(25);然后檢測光經(jīng)由第三分光鏡(40)分出一束光用于頻率穩(wěn)定，用于頻率穩(wěn)定的光束通過檢測光穩(wěn)頻F-P腔(28)，然后入射檢測光穩(wěn)頻光電探測器(27)，其輸出的光強信號輸入檢測光穩(wěn)頻控制器(26)，檢測光穩(wěn)頻控制器(26)輸出反饋回檢測光激光器(7)實現(xiàn)穩(wěn)頻；檢測光通過第三分光鏡(40)后分出的另一束光經(jīng)由第四分光鏡(41)再次分出一束用于功率穩(wěn)定；用于功率穩(wěn)定的光束入射檢測光功率穩(wěn)定光電探測器(30),產(chǎn)生的光強信號輸入檢測光功率穩(wěn)定控制器(29),檢測光功率穩(wěn)定控制器(29)反饋功率穩(wěn)定信號至檢測光激光器(7);由第四分光鏡(41)分出的另一束光作為最后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)的檢測光，進入偏振光法拉第調(diào)制檢測模塊進行偏振方向的調(diào)制以便于內(nèi)嵌原子自旋進動角的檢測。檢測光束經(jīng)第四分光鏡(41)分出后先后通過檢測光起偏格氏透鏡(31)和法拉第調(diào)制器(8)，對檢測光偏振方向進行調(diào)制后透射內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)，然后通過檢測光檢偏格氏透鏡(34);檢測光起偏格氏透鏡(31)和檢測光檢偏格氏透鏡(34)安裝時要求二者的光軸方向相互嚴格正交；法拉第調(diào)制器(8)對偏振光偏振方向進行調(diào)制，用法拉第調(diào)制器溫度控制器(32)控制法拉第調(diào)制器(8)中的法拉第磁光晶體溫度，以致磁光晶體維爾德系數(shù)的隨溫度的漂移；最后入射檢測光偏振檢測光電探測器 (13)，其輸出通過內(nèi)嵌原子自旋進動角檢測電路(35)運算獲取內(nèi)嵌原子自旋敏感到的磁場和慣性旋轉(zhuǎn)角速度信號，結(jié)果輸入法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器(36)，由法拉第調(diào)制器驅(qū)動控制器(36)輸出反饋控制信號給法拉第調(diào)制器(8)、伺服框架(2)實現(xiàn)檢測光偏振轉(zhuǎn)角的零位測量和伺服框架跟蹤慣性坐標系。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的富勒烯分子陀螺，其特征在于所述RF微波發(fā)生裝置(11)由一個RF線圈構(gòu)成或在內(nèi)嵌富勒烯晶體(10)上鋪設(shè)一條細銅線，通以高頻交流電，產(chǎn)生射頻磁場對富勒烯內(nèi)嵌原子能級進行操控來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種富勒烯分子陀螺，其特征是采用富勒烯內(nèi)嵌原子或分子以防止自旋碰撞交換弛豫及自旋碰撞破壞。采用微結(jié)晶準固態(tài)成型，使富勒烯分子按照一定結(jié)構(gòu)排列起來，以提高敏感原子密度。采用光學(xué)及微波手段進行原子能級的操控與檢測，實現(xiàn)原子或分子在慣性空間中的定軸以及慣性信號的檢測。本發(fā)明具有靈敏度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，對研制新一代基于原子自旋效應(yīng)的高精度、高穩(wěn)定、小體積的固態(tài)陀螺儀有著重要的價值。
文檔編號G01C19/58GK102914298SQ20121039774
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者房建成, 江雷, 張晨, 秦杰 申請人:北京航空航天大學(xué)