本發(fā)明涉及核磁共振陀螺儀領域，特別涉及一種核磁共振陀螺儀工作介質的極化和探測方法。

背景介紹

核磁共振陀螺具有小體積、低功耗、高性能、大動態(tài)范圍等特性，可應用于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術武器裝備、微型空間飛行器的制導與控制，已成為新型慣性器件研究的熱點。Preprint submitted to Advances in Atomic,Molecular,and Optical Physics April 15,2016，T.G.Walker,M.S.Larsen.Spin-Exchange Pumped NMR Gyros.arXiv:1604.03982[physics.atom-ph]公開了一種核磁共振陀螺儀，其關鍵器件主要包括泵浦激光器、探測激光器、原子氣室、加熱系統(tǒng)。核磁共振陀螺儀利用堿金屬氣體和惰性氣體作為工作介質，原子氣室中的堿金屬經(jīng)過加熱系統(tǒng)加熱至堿金屬原子由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持在該工作溫度。泵浦激光器發(fā)出使堿金屬原子極化的圓偏振光，當激光頻率與堿金屬原子的共振吸收線接近時，堿金屬原子會強烈吸收泵浦光，實現(xiàn)堿金屬原子的自旋極化，再通過自旋交換將自旋極化傳遞給惰性氣體核子自旋。惰性氣體的作用是達到核磁共振狀態(tài)，實現(xiàn)核子自旋進動，進而敏感載體轉動角速度。當惰性氣體核自旋極化后，所有原子自旋指向同一方向形成宏觀極化磁矩，在恒定靜磁場作用下會繞著磁場作Larmor進動，進動頻率為ω_L＝γB₀，其中γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場的大小。在恒定靜磁場的橫向方向加相應的交變磁場使得宏觀磁矩保持穩(wěn)定的進動。當載體在恒定靜磁場方向有角速度ω_R，惰性氣體核磁矩Larmor進動的頻率會發(fā)生變化，變?yōu)棣?sub>L＝γB₀-ω_R。惰性氣體的核自旋極化通過自旋交換將自旋極化再傳遞給堿金屬原子。探測激光器發(fā)出的探測光是偏振光，其頻率與堿金屬原子的共振吸收線接近，且當其偏振面在射出原子氣室時會偏轉一個角度θ，偏轉角度的大小與堿金屬原子感受到的惰性氣體核磁矩在探測光方向的投影相關，而進動的核子磁矩在探測光投影是一個正旋函數(shù)，從而有θ∝M_x∝sin(ω_Lt)。探測射出的探測光從而得到其偏轉角度θ，通過偏轉角度θ計算得到惰性氣體核磁矩轉動頻率ω_L1，再根據(jù)轉動頻率的變化得到載體的角速度ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1。

現(xiàn)有核磁共振陀螺儀只選用一種堿金屬介質實現(xiàn)極化和探測兩種作用，這使得泵浦光和探測光因為同一種介質而頻率接近，導致二者相互干擾，進一步的，無法兼顧快速極化和保持惰性氣體核磁矩進動穩(wěn)定。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：提供一種核磁共振陀螺儀工作介質的極化和探測方法，避免泵浦光和探測激光的相互干擾。

本發(fā)明進一步解決的技術問題是：兼顧快速極化和保持惰性氣體核磁矩進動穩(wěn)定。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種核磁共振陀螺儀工作介質的極化和探測方法，包括下列步驟：

將兩種堿金屬加熱至由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持該工作溫度，

向堿金屬氣體和惰性氣體發(fā)出泵浦光，該泵浦光的頻率調到第二堿金屬原子的共振吸收線附近，

在垂直于泵浦光方向加一束線偏振的探測光，該探測光的頻率調至第一堿金屬的共振吸收線附近，探測光通過與第一堿金屬氣體的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉，

探測射出的探測光得到其偏轉角度θ，

通過偏轉角度θ計算得到惰性氣體核磁矩轉動頻率ω_L1，再根據(jù)轉動頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場的大小。

作為極化介質的第二堿金屬原子的原子量比作為探測介質的第一堿金屬原子的原子量大。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明保持一般的核磁共振陀螺儀結構不變，巧妙地利用兩種堿金屬分別實現(xiàn)極化和探測核自旋轉動信息，探測激光與泵浦激光由于與不同的堿金屬作用，因而取不同的工作頻率，(1)避免了探測激光對泵浦激光干擾，產(chǎn)生退極化作用。(2)極化工作介質和檢測工作介質分開，可進行單獨控制。

還可以通過選用原子量較大自旋交換快的堿金屬作為極化介質可以加快核磁共振陀螺儀的啟動時間，選用原子量較小自旋交換慢的堿金屬作為探測介質使得自旋極化保持的時間更長，有利于增加探測介質的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置示意圖。

圖2為氣室內原子自旋交換示意圖。

1為泵浦激光，2為探測激光，3為惰性氣體，4為第一堿金屬原子，5為第二堿金屬原子。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作具體說明。

如圖1所示，一種核磁共振陀螺儀工作介質的極化和探測方法，包括下列步驟：

將兩種堿金屬加熱至由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持該工作溫度，

向堿金屬氣體和惰性氣體3發(fā)射泵浦光1，該泵浦光的頻率調到第二堿金屬原子5的共振吸收線附近，

在垂直于泵浦光方向加一束線偏振的探測光，該探測光的頻率調至第一堿金屬原子4的共振吸收線附近，探測光2通過與第一堿金屬氣體的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉，

探測射出的探測光從而得到其偏轉角度θ，

通過偏轉角度θ計算得到惰性氣體核磁矩轉動頻率ω_L1，再根據(jù)轉動頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場的大小。

作為極化介質的第二堿金屬原子5的原子量比作為探測介質的第一堿金屬原子4的原子量大。

實施例1

在原子氣室中充入惰性氣體¹²⁹Xe 3和第一堿金屬⁸⁷Rb 4、第二堿金屬¹³³Cs 5。通過加熱系統(tǒng)將氣室加熱到工作溫度，一般選取為100℃左右，使兩種堿金屬由固態(tài)原子變?yōu)闅鈶B(tài)原子，并保持該工作溫度。

向原子氣室中堿金屬氣體和惰性氣體發(fā)出一束圓偏振的泵浦光1，泵浦光1的頻率調至第二堿金屬¹³³Cs 5的共振吸收線處。

在垂直于泵浦光1方向原子氣室中加一束線偏振的探測光2，探測光2的頻率調至第一堿金屬⁸⁷Rb 4的共振吸收線附近。探測光通過與第一堿金屬氣體⁸⁷Rb 4的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉，

探測射出原子氣室的探測光從而得到其偏振面的偏轉角度θ，

通過偏轉角度θ計算得到惰性氣體核磁矩轉動頻率ω_L1，再根據(jù)轉動頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場的大小。工作過程如圖2所示：

氣態(tài)的第二堿金屬原子5吸收泵浦光1，使該第二堿金屬原子5自旋極化。因為泵浦光1的頻率不在第一堿金屬原子4的共振吸收線附近，因而第一堿金屬原子4不會被泵浦光極化。自旋極化的第二堿金屬原子5通過自旋交換將自旋極化傳遞給惰性氣體3，使其核自旋極化，實現(xiàn)核自旋進動，敏感載體轉動角速度，惰性氣體3的核自旋極化通過自旋交換將自旋極化傳遞給第一堿金屬原子4，使得第一堿金屬原子4也被自旋極化。探測光2經(jīng)過氣室時，與第一堿金屬原子4相互作用，探測光2偏振面發(fā)生偏振，探測射出原子氣室的探測光從而得到其偏振面的偏轉角度，通過偏轉角度計算得到惰性氣體核磁矩轉動頻率ω_L1，再根據(jù)轉動頻率的變化得到載體的角速度ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場的大小。

實施例2

第一堿金屬是¹³³Cs、第二堿金屬是⁸⁷Rb，步驟與實施例1相同。

實施例3

惰性氣體為氪⁸³Ke，第一堿金屬是⁸⁷Rb、第二堿金屬是¹³³Cs，步驟與實例1相同。

實施例4

惰性氣體為¹²⁹Xe，第一堿金屬是鉀³⁹K，第二堿金屬是⁸⁷Rb，工作溫度為120℃左右，其它條件、步驟與實施例1相同。

本發(fā)明未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。