一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法

1.本发明涉及一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，适用于测量与控制原子精密测量装置的纵向碱金属原子自旋极化稳定，适用于原子惯性测量领域。


背景技术：

2.随着量子领域新理论和新技术的发展，基于量子效应的各种科学仪器正不断地、大幅度突破着传统仪器的测量极限。基于原子自旋效应的量子仪器作为新一代精密测量的仪器，相比传统的仪器在性能指标上具有无可比拟的优势，是未来高精度测量的重要发展方向。
3.原子自旋极化率的稳定是原子自旋测量装置实现精密测量的前提，其波动将对惯性测量装置输出信号的零偏稳定性等性能指标产生重大影响。目前对纵向原子自旋极化率的测量方法无法实时在线测量，也无法做到无损测量，鲜少直接有直接控制纵向原子自旋极化率的方法，制约了原子自旋测量装置信号的长期稳定性的进一步发展。


技术实现要素：

4.本发明提出一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，为碱金属原子自旋系综的纵向原子自旋极化率闭环提供了一种可行的方案，有利于大幅提升电子自旋极化的纵向稳定性，从而保证原子极化状态的长期稳定性和抗干扰性。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，包括以惯性原子精密测量装置中的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，建立常温下光功率在原子气室内传播的气室光学损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对纵向碱金属原子自旋极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室入射光的光功率，进而稳定纵向碱金属原子自旋极化率。
7.所述惯性原子精密测量装置分别连接上位机模块和分布式反馈激光器，所述上位机模块中内置pid模块，所述惯性原子精密测量装置包括顺序连接的光束扩束器、液晶可变相位延迟器、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、原子气室、第一光电探测器和数据采集模块，所述光束扩束器的输入端连接所述分布式反馈激光器，所述液晶可变相位延迟器的控制端连接所述pid模块的数据输出接口，所述偏振分光棱镜的反射侧通过第二光电探测器连接所述数据采集模块，所述数据采集模块连接所述pid模块的数据输入接口，所述原子气室位于烤箱内，所述烤箱位于三轴磁场线圈内。
8.所述在线测量操纵包括以下步骤：
9.步骤1，惯性原子精密测量装置中的数据采集模块通过光电探测器进行数据采集，将玻璃原子气室的当前入射光功率数据和出射光功率数据传输给上位机模块；
10.步骤2，所述上位机模块根据所述当前入射光功率数据和出射光功率数据计算当
前时刻纵向碱金属原子极化率；
11.步骤3，所述上位机模块将所述当前时刻纵向碱金属原子极化率与设定值比较，若一致则结束，若不一致则通过pid算法得到液晶控制量并传输给液晶可变相位延迟器；
12.步骤4，所述液晶可变相位延迟器使气室入射光功率随液晶电压改变发生变化后返回步骤1。
13.所述气室光学损耗模型的表达式如下：
14.∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσslηi
in
)
[0015][0016]
其中∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，n是为除碱金属原子外的其他气体原子数密度，σs是散射截面，l是气室长度，是室温下的气室出射光功率。
[0017]
所述步骤2中包括：
[0018][0019][0020]
其中是气室a点的纵向原子自旋极化率，a点是入射光与入射侧气室内壁的交点，是气室b点的纵向原子自旋极化率，b点是出射光与出射侧气室内壁的交点，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，是加热时气室出射光功率，是纵向碱金属原子自旋弛豫率，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，是室温下的气室出射光功率。
[0021]
所述气室光学损耗模型的建立包括以下步骤：
[0022]
步骤a1，通过上位机模块给液晶可变相位延迟器施加不同幅值的阶跃电压；
[0023]
步骤a2，所述上位机模块得到对应的气室入射、出射光功率数据；
[0024]
步骤a3，所述上位机模块拟合气室光学损耗模型参数。
[0025]
所述在线测量操纵包括以下步骤：
[0026]
步骤一、构建原子气室的总光学损耗模型，对其中参数进行辨识，从机理考虑光学折射、散射等原子气室特性，构建含有待定参数的光学损耗模型，烤箱不对原子气室加热，即室温状态下，通过上位机输出不同幅值的阶跃信号，调节lcvr控制电压设定值，进而调节不同实验条件下的入射光功率，根据实际的数据拟合出原子气室的总光学损耗模型的参数；
[0027]
步骤二、根据朗伯比尔定律，结合室温下的原子气室的总光学损耗模型，通过数据采集模块采集入射气室与出射气室的光功率，计算实时的碱金属原子的纵向极化率；
[0028]
步骤三、利用步骤二的得到的当前的碱金属原子的纵向极化率，与纵向极化率设定值做差，得到当前原子自旋纵向极化率波动误差，通过上位机的pid模块，调整液晶的控
制电压，调节入射光的偏振轴与二分之一波片的夹角，达到调整入射光功率的目的，最终达到在原子自旋系统运作时，实时稳定原子自旋纵向极化的目的。
[0029]
所述步骤一中的总光学损耗模型，考虑由气体分子引起的散射和折射损失，∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，原子气室损耗模型构建为∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσslηi
in
)，i
in
是激光入射到气室上的功率，原子气室壁引起的光学损耗效率定义为η，通过实际数据辨识得到，n为除碱金属原子外，其他气体原子数密度，l为气室长度，σs为散射截面，定义为室温下的出光光功率，那么通过实际的室温下的入光、出光光功率数据拟合出原子气室的总光学损耗模型。
[0030]
所述的步骤二中，基于朗伯比尔定律的纵向原子自旋极化率测量方法利用了入射与出射气室的光功率的数据，以及室温下原子气室光学损耗的模型，朗伯比尔定律用微分方程描述了泵浦速率沿传播方向的衰减，r
p
(z)和i(z)分别表示为z点的泵浦速率和光功率，根据泵浦速率r
p
(z)与光功率i(z)的关系：r
p
(z)＝αi(z)，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，可以得到入射光功率沿传播方向的衰减，入射光从左侧打入气室，定义原子气室的左内壁与入射光的交点为a点，原子气室的右内壁与出射光的交点为b点，原子气室a点、b点的lesp分别用表示，利用实时入光、出光光功率，可以得到表示，利用实时入光、出光光功率，可以得到是加热时原子气室的实时出光光功率，是碱金属原子的纵向弛豫率。
[0031]
本发明的技术效果如下：本发明一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，为碱金属原子自旋系综的纵向原子自旋极化率闭环提供了一种可行的方案。本发明以惯性精密测量装置的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，首先建立了常温下光功率在原子气室内传播的损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对原子的纵向极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室进光的光功率，进而稳定纵向电子自旋极化率，有利于大幅提升电子自旋极化的纵向稳定性，从而保证原子极化状态的长期稳定性和抗干扰性。
[0032]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0033]
(1)首先构建光学损耗模型，再通过朗伯比尔定律融合出射与入射光光功率，实时得到碱金属原子的纵向极化率信息，具有在线无损测量的优点。
[0034]
(2)根据实时得到的纵向极化率波动信息，通过控制液晶的驱动电压调节入射气室的光功率，达到抑制极化率波动的目的，具有在线调节的优点，能够有效抑制由外界环境未知变化引起的极化率波动。
附图说明
[0035]
图1是实施本发明一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法所使用的惯性原子精密测量装置结构示意图。
[0036]
图2是纵向碱金属原子极化率测量及稳定控制过程示意图。图2中包括步骤1，惯性
原子精密测量装置中的数据采集模块通过光电探测器进行数据采集，将玻璃原子气室的当前入射光功率数据和出射光功率数据传输给上位机模块；步骤2，所述上位机模块根据所述当前入射光功率数据和出射光功率数据计算当前时刻纵向碱金属原子极化率；步骤3，所述上位机模块将所述当前时刻纵向碱金属原子极化率与设定值比较，若一致则结束，若不一致则通过pid算法得到液晶控制量并传输给液晶可变相位延迟器；步骤4，所述液晶可变相位延迟器使气室入射光功率随液晶电压改变发生变化后返回步骤1。
[0037]
图3为气室光学损耗模型辨识过程图。图3中包括步骤1，通过上位机模块给液晶施加不同幅值的阶跃电压；步骤2，得到对应的气室入射、出射光功率数据；步骤3，拟合气室光学损耗模型参数。
[0038]
附图标记说明如下：1-分布式反馈激光器(distributed feedback laser，dfb)；2-光束扩束器；3-液晶可变相位延迟器(liquid crystal variable retarder,lcvr)；4-二分之一波片；5-偏振分光棱镜；6-四分之一波片；7-烤箱；8-原子气室(或玻璃原子气室)；9-光电探测器；10-三轴磁场线圈；11-数据采集模块；12-上位机模块(内置pid模块，pid，proportional integral derivative，比例、积分、微分，所述pid模块具有数据输入接口和数据输出接口)。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。
[0040]
图1是实施本发明一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法所使用的惯性原子精密测量装置结构示意图。图2是纵向碱金属原子极化率测量及稳定控制过程示意图。
[0041]
图3为气室光学损耗模型辨识过程图。参考图1至图3所示，一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，包括以惯性原子精密测量装置中的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，建立常温下光功率在原子气室内传播的气室光学损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对纵向碱金属原子自旋极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室入射光的光功率，进而稳定纵向碱金属原子自旋极化率。所述惯性原子精密测量装置分别连接上位机模块12和分布式反馈激光器1，所述上位机模块12中内置pid模块，所述惯性原子精密测量装置包括顺序连接的光束扩束器2、液晶可变相位延迟器3、二分之一波片4、偏振分光棱镜5、四分之一波片6、原子气室8、第一光电探测器9和数据采集模块11，所述光束扩束器2的输入端连接所述分布式反馈激光器1，所述液晶可变相位延迟器3的控制端连接所述pid模块的数据输出接口，所述偏振分光棱镜5的反射侧通过第二光电探测器9连接所述数据采集模块11，所述数据采集模块11连接所述pid模块的数据输入接口，所述原子气室8位于烤箱7内，所述烤箱7位于三轴磁场线圈10内。
[0042]
所述在线测量操纵包括以下步骤：步骤1，惯性原子精密测量装置中的数据采集模块通过光电探测器进行数据采集，将玻璃原子气室的当前入射光功率数据和出射光功率数据传输给上位机模块；步骤2，所述上位机模块根据所述当前入射光功率数据和出射光功率数据计算当前时刻纵向碱金属原子极化率；步骤3，所述上位机模块将所述当前时刻纵向碱金属原子极化率与设定值比较，若一致则结束，若不一致则通过pid算法得到液晶控制量并
传输给液晶可变相位延迟器；步骤4，所述液晶可变相位延迟器使气室入射光功率随液晶电压改变发生变化后返回步骤1。
[0043]
所述气室光学损耗模型的表达式如下：
[0044]
∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσslηi
in
)
[0045][0046]
其中∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，n是为除碱金属原子外的其他气体原子数密度，σs是散射截面，l是气室长度，是室温下的气室出射光功率。
[0047]
所述步骤2中包括：
[0048][0049][0050]
其中是气室a点的纵向原子自旋极化率，a点是入射光与入射侧气室内壁的交点，是气室b点的纵向原子自旋极化率，b点是出射光与出射侧气室内壁的交点，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，是加热时气室出射光功率，是纵向碱金属原子自旋弛豫率，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，是室温下的气室出射光功率。
[0051]
所述气室光学损耗模型的建立包括以下步骤：步骤a1，通过上位机模块给液晶可变相位延迟器施加不同幅值的阶跃电压；步骤a2，所述上位机模块得到对应的气室入射、出射光功率数据；步骤a3，所述上位机模块拟合气室光学损耗模型参数。
[0052]
所述在线测量操纵包括以下步骤：步骤一、构建原子气室的总光学损耗模型，对其中参数进行辨识，从机理考虑光学折射、散射等原子气室特性，构建含有待定参数的光学损耗模型，烤箱不对原子气室加热，即室温状态下，通过上位机输出不同幅值的阶跃信号，调节lcvr控制电压设定值，进而调节不同实验条件下的入射光功率，根据实际的数据拟合出原子气室的总光学损耗模型的参数；步骤二、根据朗伯比尔定律，结合室温下的原子气室的总光学损耗模型，通过数据采集模块采集入射气室与出射气室的光功率，计算实时的碱金属原子的纵向极化率；步骤三、利用步骤二的得到的当前的碱金属原子的纵向极化率，与纵向极化率设定值做差，得到当前原子自旋纵向极化率波动误差，通过上位机的pid模块，调整液晶的控制电压，调节入射光的偏振轴与二分之一波片的夹角，达到调整入射光功率的目的，最终达到在原子自旋系统运作时，实时稳定原子自旋纵向极化的目的。
[0053]
所述步骤一中的总光学损耗模型，考虑由气体分子引起的散射和折射损失，∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，原子气室损耗模型构建为∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσslηi
in
)，i
in
是激光入射到气室上的功率，原子气室壁引起的光学损耗效率定义为η，通过实际数据辨识得到，n为除碱金属原子外，其他气体原子数密度，l为气室长度，σs为散射截面，
定义为室温下的出光光功率，那么通过实际的室温下的入光、出光光功率数据拟合出原子气室的总光学损耗模型。所述的步骤二中，基于朗伯比尔定律的lesp测量方法利用了入射与出射气室的光功率的数据，以及室温下原子气室光学损耗的模型，朗伯比尔定律用微分方程描述了泵浦速率沿传播方向的衰减，r
p
(z)和i(z)分别表示为z点的泵浦速率和光功率，根据泵浦速率r
p
(z)与光功率i(z)的关系：r
p
(z)＝αi(z)，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，可以得到入射光功率沿传播方向的衰减，入射光从左侧打入气室，定义原子气室的左内壁与入射光的交点为a点，原子气室的右内壁与出射光的交点为b点，原子气室a点、b点的lesp分用表示，利用实时入光、出光光功率，可以得到
[0054][0055]
是加热时原子气室的实时出光光功率，是碱金属原子的纵向弛豫率。
[0056]
本发明公开了一种纵向碱金属原子自旋极化率(longitudinal electron spin polarization，lesp)的在线测量和操纵方法，为碱金属原子自旋系综的纵向原子自旋极化率闭环提供了一种可行的方案。本发明以惯性精密测量装置的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，首先建立了常温下光功率在原子气室内传播的损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对原子的纵向极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室进光的光功率，进而稳定纵向电子自旋极化率。本发明中的测量方法是一种实时无破坏性的碱金属原子纵向极化率的测量方法，本发明中的操纵方法大幅提升了电子自旋极化的纵向稳定性，保证了原子极化状态的长期稳定性和抗干扰性。
[0057]
本发明解决的技术问题是：原子自旋装置的气室内部，纵向电子自旋极化率的在线测量问题以及纵向电子自旋极化的稳定控制问题。
[0058]
本发明的技术解决方案是：一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量和操纵方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤一、构建原子气室的总光学损耗模型。泵浦光在室温下的光功率满足
[0060][0061]
其中是指泵浦光在室温下出射气室的光功率，i
in
是激光入射到气室的功率，通过测量入射光束和出射光束的功率，可以得到气室的总光学损耗∑di
cell
。
[0062]
步骤二、通过朗伯比尔定律以及泵浦速率与泵浦光功率的关系，构建光功率在气室的传播模型，可以得到原子气室内a点与b点的碱金属原子纵向极化率：
[0063][0064]
[0065]
利用基于朗伯比尔定律的lesp测量方法，结合原子气室实时入射和出射光功率，实时得到原子气室中的碱金属原子纵向极化率。
[0066]
步骤三、通过光电探测器采集实时入射、出射光功率，传输到上位机的处理程序，上位机计算出实时的极化率波动误差，调整液晶的控制电压，调整气室的入射光光强，抑制极化率波动。
[0067]
图1示意了原子精密测量装置结构，分布式反馈激光器打出的光经过扩束器、液晶模块、二分之一波片后，通过偏振分光棱镜，被分为两束线偏振光，一束被pd检测，通过数据采集模块，进入上位机用于根据偏振分光棱镜的分光比例确定入射光光强i
in
，另一束线偏振光经过四分之一波片后，成为圆偏振光，进入原子气室。出射光的光功率i
out
同样由pd检测，通过数据采集模块，进入上位机进行数据处理。上位机通过入射与出射的光功率运算得到气室内部实时极化率，进而得到极化率误差，误差信号通过pid输出液晶控制信号，调整液晶的特性，与二分之一波片配合可以达到调节入射光功率的效果。
[0068]
图2示意了纵向碱金属原子极化率测量及稳定控制过程，朗伯比尔定律用微分方程描述了圆偏振光沿传播方向的衰减：
[0069][0070]
其中，r
p
为泵浦速率，nk为碱金属原子数密度，σ
p
(v)为吸收截面，为碱金属原子在z处的极化率。z点的泵浦速率r
p
(z)与泵浦光的光功率i(z)成正比，可表示为
[0071][0072]
入射光从左侧打入气室，定义原子气室的左内壁与入射光的交点为a点，原子气室的右内壁与出射光的交点为b点。其中，以a点为原点，以抽运光方向才为z轴正方向,r
p
(z)是z处的泵浦速率，其中c表示真空中的光速，re表示经典电子半径，f表示振子强度，γ表示压力展宽，这是洛伦兹曲线的一半最大值(fwhm)，与气室的气体压力成正比，a表示入射光的有效面积，h是普朗克常数，v是激光的频率。
[0073]
利用上述两式，可以解出泵浦光的光功率沿气室方向的传播方程可表示为：
[0074][0075]
其中，i(0)是原点处的光功率。结合上述推导，碱金属原子吸收的光功率di可以表示为：
[0076][0077]
其中，w函数是朗博函数，是复变函数f(x)＝x exp(x)的反函数，原子气室内a点与b点的光功率分别表示为i(a)、i(b)，根据气室损耗模型，
[0078]
i(a)＝ηi
in
[0079][0080]
可以得到原子气室a点和b点的原子极化率：
[0081][0082][0083]
图3示意了气室光学损耗模型辨识过程，室温下原子气室中没有碱金属原子的光吸收作用，考虑原子气室壁的折射，那么
[0084]
i(a)＝ηi
in
[0085][0086]
考虑原子气室内部其他气体的散射
[0087][0088]
原子气室的光学损耗模型可以表示为
[0089][0090]
其中，n为气体分子数密度，l为气室长度，σs为散射截面，η是待定系数，根据室温下气室的不同入射以及出射光功率的数据拟合确定。该方程可用于估计激光通过气室时的功率衰减。
[0091]
加热状态下，除了光学损耗，气室中的碱金属原子由于被圆偏振光抽运，还有光吸收作用，此时高温下的出光相较于室温下出光的光功率，相差原子气室内部的原子的光吸收功率，根据朗伯比尔定律，可以解算出a、b两点的lesp。
[0092]
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。

技术特征：
1.一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，包括以惯性原子精密测量装置中的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，建立常温下光功率在原子气室内传播的气室光学损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对纵向碱金属原子自旋极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室入射光的光功率，进而稳定纵向碱金属原子自旋极化率。2.根据权利要求1所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述惯性原子精密测量装置分别连接上位机模块和分布式反馈激光器，所述上位机模块中内置pid模块，所述惯性原子精密测量装置包括顺序连接的光束扩束器、液晶可变相位延迟器、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、原子气室、第一光电探测器和数据采集模块，所述光束扩束器的输入端连接所述分布式反馈激光器，所述液晶可变相位延迟器的控制端连接所述pid模块的数据输出接口，所述偏振分光棱镜的反射侧通过第二光电探测器连接所述数据采集模块，所述数据采集模块连接所述pid模块的数据输入接口，所述原子气室位于烤箱内，所述烤箱位于三轴磁场线圈内。3.根据权利要求1所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述在线测量操纵包括以下步骤：步骤1，惯性原子精密测量装置中的数据采集模块通过光电探测器进行数据采集，将玻璃原子气室的当前入射光功率数据和出射光功率数据传输给上位机模块；步骤2，所述上位机模块根据所述当前入射光功率数据和出射光功率数据计算当前时刻纵向碱金属原子极化率；步骤3，所述上位机模块将所述当前时刻纵向碱金属原子极化率与设定值比较，若一致则结束，若不一致则通过pid算法得到液晶控制量并传输给液晶可变相位延迟器；步骤4，所述液晶可变相位延迟器使气室入射光功率随液晶电压改变发生变化后返回步骤1。4.根据权利要求1所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述气室光学损耗模型的表达式如下：∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσ
s
lηi
in
)其中∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，n是为除碱金属原子外的其他气体原子数密度，σs是散射截面，l是气室长度，是室温下的气室出射光功率。5.根据权利要求3所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述步骤2中包括：于，所述步骤2中包括：
其中是气室a点的纵向原子自旋极化率，a点是入射光与入射侧气室内壁的交点，是气室b点的纵向原子自旋极化率，b点是出射光与出射侧气室内壁的交点，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，是加热时气室出射光功率，是纵向碱金属原子自旋弛豫率，iin是气室入射光功率，η是原子气室壁引起的光学损耗效率，是室温下的气室出射光功率。6.根据权利要求1所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述气室光学损耗模型的建立包括以下步骤：步骤a1，通过上位机模块给液晶可变相位延迟器施加不同幅值的阶跃电压；步骤a2，所述上位机模块得到对应的气室入射、出射光功率数据；步骤a3，所述上位机模块拟合气室光学损耗模型参数。7.根据权利要求1所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述在线测量操纵包括以下步骤：步骤一、构建原子气室的总光学损耗模型，对其中参数进行辨识，从机理考虑光学折射、散射等原子气室特性，构建含有待定参数的光学损耗模型，烤箱不对原子气室加热，即室温状态下，通过上位机输出不同幅值的阶跃信号，调节lcvr控制电压设定值，进而调节不同实验条件下的入射光功率，根据实际的数据拟合出原子气室的总光学损耗模型的参数；步骤二、根据朗伯比尔定律，结合室温下的原子气室的总光学损耗模型，通过数据采集模块采集入射气室与出射气室的光功率，计算实时的碱金属原子的纵向极化率；步骤三、利用步骤二的得到的当前的碱金属原子的纵向极化率，与纵向极化率设定值做差，得到当前原子自旋纵向极化率波动误差，通过上位机的pid模块，调整液晶的控制电压，调节入射光的偏振轴与二分之一波片的夹角，达到调整入射光功率的目的，最终达到在原子自旋系统运作时，实时稳定原子自旋纵向极化的目的。8.根据权利要求7所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述步骤一中的总光学损耗模型，考虑由气体分子引起的散射和折射损失，∑di
cell
为原子气室的总光学损耗，原子气室损耗模型构建为∑di
cell
＝i
in-i
in
η2exp(-nσ
s
lηi
in
)，i
in
是激光入射到气室上的功率，原子气室壁引起的光学损耗效率定义为η，通过实际数据辨识得到，n为除碱金属原子外，其他气体原子数密度，l为气室长度，σ
s
为散射截面，定义为室温下的出光光功率，那么通过实际的室温下的入光、出光光功率数据拟合出原子气室的总光学损耗模型。9.根据权利要求7所述的纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，其特征在于，所述的步骤二中，基于朗伯比尔定律的lesp测量方法利用了入射与出射气室的光功率的数据，以及室温下原子气室光学损耗的模型，朗伯比尔定律用微分方程描述了泵浦速率沿传播方向的衰减，r
p
(z)和i(z)分别表示为z点的泵浦速率和光功率，根据泵浦速率r
p
(z)与光功率i(z)的关系：r
p
(z)＝αi(z)，α是泵浦速率与泵浦光功率的转换系数，可以得到入射光功率沿传播方向的衰减，入射光从左侧打入气室，定义原子气室的左内壁与入射光的交点为a点，原子气室的右内壁与出射光的交点为b点，原子气室a点、b点的lesp分用
表示，利用实时入光、出光光功率，可以得到表示，利用实时入光、出光光功率，可以得到是加热时原子气室的实时出光光功率，是碱金属原子的纵向弛豫率。

技术总结
本发明公开了一种纵向碱金属原子自旋极化率的在线测量操纵方法，为碱金属原子自旋系综的纵向原子自旋极化率闭环提供了一种可行的方案。本发明以惯性精密测量装置的碱金属原子为研究对象，针对原子气室内碱金属原子的纵向极化率需要长期稳定的要求，首先建立了常温下光功率在原子气室内传播的损耗模型，再利用朗伯比尔定律融合气室入射光与出射光数据，对原子的纵向极化率进行测量，将测量得到的极化率波动作为误差信息反馈到液晶控制端，用于稳定气室进光的光功率，进而稳定纵向电子自旋极化率，有利于大幅提升电子自旋极化的纵向稳定性，从而保证原子极化状态的长期稳定性和抗干扰性。扰性。扰性。


技术研发人员：全伟 王瑞钢 刘泽华 王卓 范文峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/20