[0001] 本发明涉及SERF惯性测量装置极化率在线测量技术领域，特别是一种SERF惯性测量装置横向极化率在线测量方法，通过在抽运光路模块中设置电光调制器(EOM)实现抽运光脉冲调制反转电子自旋，从而进行电子极化率测量。通过调节电光调制器驱动电压，控制改变通光偏振态，实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而实现电子自旋沿极化方向(z轴)反转。电子自旋横向极化率来源于电子极化在横向产生的投影，在纵向反转过程中，横向投影会随之反转，采用一束线偏振光进行旋光角检测，其幅值能够反映横向投影大小，进而反映电子自旋横向极化率绝对值大小。

[0002] 基于无自旋交换弛豫(Spin‑exchange relaxation‑free，SERF)效应的原子自旋惯性测量装置已应用于多个领域，包括寻找探测超轻类轴子粒子、异常自旋力、CPT对称性测试以及惯性导航等(CPT，电荷共轭C、宇称变换P和时间反演T)。在惯性导航领域，SERF原子自旋陀螺仪具有精度高、体积小、结构简单等优点，对于国防安全和经济发展具有重大意义。

[0003] 在SERF(无自旋交换弛豫)原子自旋惯性测量装置中，通过自旋交换光抽运技术，将碱金属电子自旋极化到与抽运光方向一致的方向(z轴方向)极化的电子自旋随后与惰性气体核自旋发生自旋交换碰撞，从而实现核自旋的超极化。此前研究通过一束垂直于抽运光方向的线偏振光进行检测，线偏振光偏振方向发生改变产生旋光角，该旋光角的大小反映碱金属原子横向极化率的相对值，无法直接得到碱金属原子横向极化率的绝对值。而在实际惯性测量系统中，在零输入状态下系统的横向极化率的绝对值能够反映原子系综多种信息，如抽运和检测正交性、抽运光与主磁场对准性等。因此需要一种手段对原子自旋惯性测量装置横向极化率的绝对值进行原位测量。

[0004] 为了克服上述方法的不足，本发明则提出在在系统核自旋极化稳态情况下，通过电光调制器(EOM)实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而控制电子自旋在纵向反转；采用线偏振光可检测横向极化分量幅值，实现横向极化率绝对值的测量。

[0032] 下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。

[0033] 图1是本发明一种SERF惯性测量装置横向极化率在线测量方法所涉及的SERF惯性测量装置结构示意图。参考图1所示，一种SERF惯性测量装置横向极化率在线测量方法，包括以下步骤：步骤1，将SERF惯性测量装置气室加热至工作温度；步骤2，在气室的抽运光入射侧光路上控制所述抽运光形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；步骤3，当所述左旋圆偏振光入射到所述气室中，利用被抽运光极化的原子系综旋光效应，采用垂直于所述抽运光的一束线偏振光作为检测光进行旋光角检测，获得第一旋光角，当所述右旋圆偏振光入射到所述气室中且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时，同理获得第二旋光角；步骤4，利用所述第一旋光角对应的第一输出电压信号减去所述第二旋光角对应的第二输出电压信号得到输出信号峰峰值；步骤5，利用输出信号峰峰值得到电子横向极化率绝对值。

[0034] 步骤3中包括以下表达式：

[0035]

[0036]

[0037] 其中θ1为抽运左旋σ+圆偏振光时检测光产生的旋光角即第一旋光角，θ2为抽运右‑旋σ圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时检测光产生的旋光角即第二旋光角，π为圆周率，l是光在气室的光程，n是碱金属原子数密度，re是经典电子半径，c是光速， 为电子横向极化率， 是电子横向极化率绝对值，f是K原子振荡强度，v是检测激光频率，vD1是K原子D1线的共振频率，vD2是K原子D2线的共振频率，V(v‑vD1)为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD1)]为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数的虚部，V(v‑vD2)为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD2)]为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数的虚部。

[0038] 步骤4中包括以下表达式：

[0039] U1＝KPDI0θ1

[0040] U2＝KPDI0θ2

[0041] U＝U1‑U2

[0042] 其中U1是第一输出电压，U2是第二输出电压，KPD为光电探测器的转换系数，I0为入射第二光电探测器检测光光强，U是输出信号峰峰值。

[0043] 步骤5中包括以下表达式：

[0044]

[0045] 所述气室L21安装在无磁电加热烤箱L22内，烤箱放置在线圈骨架内，线圈骨架表面为三轴磁补偿线圈L23，线圈外为一层锰锌铁氧体(即锰锌铁氧体磁屏蔽筒L24)和三层坡莫合金(即坡莫合金磁屏蔽筒L25)组成的磁屏蔽系统，提供无磁环境。

[0046] 所述抽运激光由抽运激光器L1出射，依次通过第一二分之一波片L2、第一偏振分光棱镜L3、液晶相位延迟器L4、第二偏振分光棱镜L5和第二二分之一波片L6连接第三偏振分光棱镜L7，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束依次通过电光调制器L10、第四偏振分光棱镜L13和四分之一波片L14连接所述气室L21，所述电光调制器L10通过外部信号触发器L12连接电光调制器驱动器L11以得到脉冲控制，所述第三偏振分光棱镜L7的反射侧依次通过第一光电探测器L8和电控单元L9连接所述液晶相位延迟器L4，所述电光调制器L10在非调制状态下，其控制电压为0，脉冲为低电平期间，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束通过电+光调制器L10后无相位延迟，通过调节所述四分之一波片L14，使得出光变为左旋σ圆偏振光，脉冲为高电平期间，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束通过电光调制器L10后产生相位‑
延迟为π，通过四分之一波片L14后激光偏振态为右旋σ 圆偏振光。所述检测光来自检测激光器L15，所述检测激光器L15依次通过第三二分之一波片L16、第五偏振分光棱镜L17、气室L21、第四二分之一波片L18和第二光电探测器L19连接上位机L20。

[0047] 本发明涉及一种原子自旋惯性测量装置横向极化率测量方法，具体涉及一种基于电光调制器翻转电子自旋，即实现电子极化率翻转180°，利用检测激光进行原子自旋惯性测量装置横向极化率测量的方法，属于原子自旋惯性测量领域。

[0048] 参考图1所示，一种SERF惯性测量装置横向极化率在线测量方法，包括以下步骤：步骤1，启动加热，将SERF惯性测量装置气室加热至工作温度；步骤2，打开分布式布拉格反射(DBR)激光器，利用饱和吸收稳频模块将激光频率锁定在K原子吸收峰D1线。电光调制器(EOM)作为一个可调1/2波片使用，在极化过程中电光调制器控制电压为0，处于非调制状+
态，调节电光调制器之后的1/4波片，使得出光变为左旋(σ)圆偏振光。在抽运方向(Z轴)施加约100nT磁场，等待惰性气体核自旋极化达到稳定状态。步骤3，进行三轴磁补偿，使得系统工作在陀螺状态下。步骤4，在电光调制器(EOM)施加电压，控制其低电平电压为0，不改变+
通光相位，则抽运激光经电光调制器及其之后1/4波片后为左旋(σ)圆偏振光。高电平电压在半波电压 处,此时通光产生相位延迟为π，则抽运激光经电光调制器及其之后1/4波片‑
后为右旋(σ)圆偏振光。通过脉冲电压控制实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋，进而控制电子自旋在纵向反转；步骤5，通过一束垂直于抽运光方向的线偏振光进行检测，线偏振光偏振方向发生改变产生旋光角，检测光出射信号通过第二光电探测器以及前置放大电路输出到上位机，测量输出电压的峰峰值。

[0049] 所述气室L21安装在无磁电加热烤箱L22内，烤箱放置在线圈骨架内，线圈骨架表面为三合一磁补偿线圈L23，线圈外为一层锰锌铁氧体L24和三层坡莫合金L25组成的磁屏蔽系统里，提供无磁环境。

[0050] 所述抽运激光由抽运激光器L1出射，依次通过第一二分之一波片L2连接第一偏振分光棱镜L3，第一偏振分光棱镜L3透射光束通过液晶相位延迟器L4连接第二偏振分光棱镜L5，第二偏振分光棱镜L5透射光束通过第二二分之一波片L6连接第三偏振分光棱镜L7，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束通过电光调制器L10，连接第四偏振分光棱镜L13；所述第三偏振分光棱镜L17反射光束连接第一光电探测器L8，所述第一光电探测器L8连接电控单元L9控制液晶相位延迟器L4进行光功率稳定控制；所述第四偏振分光棱镜L13透射光束通过四分之一波片L14入射气室L21，所述电光调制器L10在非调制状态下，其控制电压为0，调+节所述四分之一波片L14，使得出光变为左旋(σ)圆偏振光。

[0051] 所述电光调制模块包括电光调制器L10及其驱动器L11、外部信号触发器L12、第四偏振分光棱镜L13、四分之一波片L14；所述电光调制器驱动器L11连接外部信号触发器L12，通过外部触发信号接口输入外部触发信号，驱动器开始输出高压脉冲。脉冲为高电平期间，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束通过电光调制器L10后产生相位延迟为π，连接第四偏振‑分光棱镜L13透射侧、通过四分之一波片L14后激光偏振态为右旋(σ)圆偏振光；脉冲为低电平期间，所述第三偏振分光棱镜L7透射光束通过电光调制器L10后无相位延迟，连接第四+
偏振分光棱镜L13透射侧、通过四分之一波片L14后激光偏振态为左旋(σ)圆偏振光。

[0052] 所述检测激光由检测激光器L15出射，通过第三二分之一波片L16连接第五偏振分光棱镜L17，第五偏振分光棱镜L17透射光束入射气室L21，出射后通过第四二分之一波片L18连接第二光电探测器L19。

[0053] 所述第二光电探测器L19在电光调制器驱动器L11脉冲为低电平，即抽运激光入筒+偏振态为左旋(σ)圆偏振光时，被抽运光极化的原子系综具有旋光效应，所述旋光效应使检测光产生旋光角θ1；所述第二光电探测器L19在电光调制器驱动器L11脉冲为高电平，即‑
抽运激光入筒偏振态为右旋(σ)圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时，被抽运光极化的原子系综具有旋光效应，所述旋光效应使检测光产生旋光角θ2。所述脉冲调制期间，电子自旋沿极化方向(z轴)反转，电子自旋横向极化率随之反转。设电子极化率横向投影为 则

[0054]

[0055]

[0056] 上式中θ1为抽运左旋(σ+)圆偏振光时检测光产生的旋光角，θ2为抽运右旋(σ‑)圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时检测光产生的旋光角，π为圆周率，l是光在气室的光程，n是碱金属原子数密度，re是经典电子半径，c是光速， 为电子横向极化率绝对值，f是K原子振荡强度，v是检测激光频率，vD1和vD2分别是K原子D1线和D2线的共振频率。vD1是K原子D1线的共振频率。V(v‑vD1)为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD1)]为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数的虚部，V(v‑vD2)为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD2)]为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数的虚部。

[0057] 所述第二光电探测器L19输出端连接前置放大电路将电流信号转换为电压信号后发送至上位机L20，在电光调制器驱动器L11脉冲为低电平，即抽运激光入筒偏振态为左旋+(σ)圆偏振光时，所述放大后电压信号为U1；在电光调制器驱动器L11脉冲为高电平，即抽运‑
激光入筒偏振态为右旋(σ)圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时，所述放大后电压信号为U2，则：

[0058] U1＝KPDI0θ1

[0059] U2＝KPDI0θ2

[0060] 上式中，KPD为光电探测器的转换系数，I0为入射第二光电探测器检测光光强，θ1为+ ‑抽运左旋(σ)圆偏振光时检测光产生的旋光角，θ2为抽运右旋(σ)圆偏振光且电子自旋极化沿z轴产生180°翻转时检测光产生的旋光角。

[0061] 所述脉冲调制电子自旋反转期间，输出信号峰峰值为U，电子横向极化率绝对值为则：

[0062]

[0063]

[0064] 上式中，KPD为光电探测器的转换系数，I0为入射第二光电探测器检测光光强，π为圆周率，l是光在气室的光程，n是碱金属原子数密度，re是经典电子半径，c是光速， 为电子横向极化率绝对值，f是K原子振荡强度，v是检测激光频率，vD1和vD2分别是K原子D1线和D2线的共振频率。vD1是K原子D1线的共振频率。V(v‑vD1)为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD1)]为碱金属原子D1线洛伦兹色散函数的虚部，V(v‑vD2)为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数，Im[V(v‑vD2)]为碱金属原子D2线洛伦兹色散函数的虚部。

[0065] 可以看到所述脉冲调制电子自旋反转期间，输出信号峰峰值为U与电子横向极化率绝对值为 之间为线性关系。通过改变液晶相位延迟器L4电压以调节检测光光强I0，控制输出电压值保持不变，从而实现碱金属原子极化率的闭环控制。输出信号峰峰值为U可以等效为电子极化率的绝对值。

[0066] 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。