[0001] 本发明涉及SERF惯性测量技术领域，特别是一种SERF惯性测量装置电子极化率在线测量与闭环方法，通过调制抽运光在左旋圆偏振态和右旋圆偏振态之间快速切换，和电子自旋指向随之发生翻转，利用抽运光出筒光强变化反映电子纵向极化率的变化情况实现电子纵向极化率的在线测量，并通过相位延迟量调节抽运光入筒光强，和使抽运光出筒光强峰值电压保持不变，实现电子纵向极化率实时原位闭环控制。该方法实验步骤简便，可实现碱金属原子纵向极化率的实时原位闭环控制，有助于提高原子自旋惯性测量系统的噪声，提升测量灵敏度和长期稳定性，以及提升系统在不同环境条件下的鲁棒性。

[0002] SERF(Spin‑Exchange Relaxation‑Free，无自旋交换弛豫)原子惯性测量装置具备实现超高灵敏度惯性测量的潜力，该装置应用于前沿基础物理研究，包括暗物质探测、奇异相互作用力的测量以及CPT(CPT，Charge Conjugation,Parity and Time Reversal，电荷共轭C、宇称变换P和时间反演T)对称性破缺验证等。SERF原子惯性测量装置集成的高精度陀螺仪兼具精度高、体积较小、结构简单等优点，在长航时高精度惯性导航领域展现出广阔的应用前景，对于国防安全具有重大意义。

[0003] 在SERF原子自旋惯性测量装置中，碱金属电子自旋极化率的波动引入极化噪声，影响惯性测量灵敏度；同时作为测量系统长期稳定性的一阶误差项，碱金属电子自旋极化率的波动是造成系统零偏不稳定性的主要因素，因此需要实现碱金属原子极化率的实时原位闭环控制从而提升系统的灵敏度与长期稳定性。此前研究人员针对电子极化率稳定控制提出了抽运光强稳定系统，通过基于液晶相位延迟器的稳功率系统对抽运光路分光的光功率进行闭环控制，从而实现对抽运主光路的间接控制，抑制电子极化率的波动。该方法不能实现原子系综电子极化率的原位控制，且光学器件分光比受环境温度等影响较大，控制效果有限。此外研究人员还通过锁定电子共振峰幅值或者相位测量电子极化率，实现极化率闭环控制，但极化率与共振峰之间转换系数受温度等参数影响，且该方法需要施加的调制磁场在测量过程中可能会使系统弛豫。因此实现原子系综电子极化率原位直接测量与闭环控制仍需进一步研究。

[0004] 为了克服上述方法的不足，本发明则提出通过引入电光调制器(EOM，electro‑optic modulators)实现抽运入筒圆偏振光的左、右旋调制，进而控制电子自旋在纵向反转，通过抽运光出筒光强的变化峰值实现电子极化率原位在线测量。通过控制液晶相位延迟器LCVR的相位延迟量来调节抽运光入筒光强控制电子极化率稳定(LCVR，Liquid Crystal Variable Retarder，液晶相位延迟器)，从而实现SERF惯性测量装置电子纵向极化率原位实时闭环控制。

[0028] 下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。

[0029] 图1是实施本发明一种SERF惯性测量装置电子极化率在线测量与闭环方法所涉及的SERF惯性测量装置结构示意图。参考图1所示，一种SERF惯性测量装置电子极化率在线测量与闭环方法，包括以下步骤：步骤1，将SERF惯性测量装置中的原子气室加热至工作温度；步骤2，在原子气室的抽运光入射侧光路上控制所述抽运光依次形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；步骤3，等待抽运达到稳态，进行三轴磁补偿，使得系统工作在陀螺状态下；步骤
4，采集抽运光出筒光功率信号在调制频率下的峰值电压，该峰值电压变化反应原子系综电子极化率变化情况；步骤5，以所述峰值电压为闭环反馈量，采用比例积分微分PID控制策略产生控制信号，利用所述控制信号调节抽运光入筒光功率，以通过闭环控制使抽运光出筒光强峰值电压保持不变，从而实现SERF惯性测量装置电子纵向极化率的实时原位闭环控制。

[0030] 步骤1中的原子气室L21安装在无磁电加热烤箱L22内，所述无磁电加热烤箱L22放置在线圈骨架内，线圈骨架表面为三轴磁补偿线圈L24，所述三轴磁补偿线圈L24外为一层锰锌铁氧体磁屏蔽筒L23，所述锰锌铁氧体磁屏蔽筒L23外是三层坡莫合金磁屏蔽筒L25，在所述原子气室L21的抽运光输入侧，顺z轴方向由抽运激光器L1出射，依次连接第一1/2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、电光调制器晶体L6、第三偏振分光棱镜L9和1/4波片L10，所述1/4波片L10连接所述原子气室L21的抽运光输入侧，所述电光调制器晶体L6通过电光调制器控制器L7连接外部信号触发器L8，所述原子气室L21的抽运光输出侧依次通过衰减片L11、第一光电探测器L12、锁相放大器L13和电控单元L14连接所述液晶相位延迟器L4，在所述原子气室L21的检测光输入侧，顺x轴方向由检测激光器L15出射，依次连接第二1/2波片L16和第四偏振分光棱镜L17，所述第四偏振分光棱镜L17连接所述原子气室L21的检测光输入侧，所述原子气室L21的检测光输出侧依次通过第三1/2波片L18和第二光电探测器L19连接上位机L20。

[0031] 步骤2中包括将抽运光频率锁定在K原子吸收峰D1线，将脉冲方波电压施加给电光调制器，所述脉冲方波电压的低电平电压为0，高电平电压为电光调制器的半波电压 且低电平电压信号占空比大于高电平电压信号占空比，脉冲低电平持续期间对应所述左旋圆偏振光，脉冲高电平持续期间对应所述右旋圆偏振光。

[0032] 步骤4中包括以下公式：

[0033]

[0034] 其中Imax(z)是左旋圆偏振光作用下电子纵向极化率逐渐增大到暂稳态时的抽运光出筒光强即最大出筒光强，I(0)是抽运光入筒处初始光强，e是自然常数，N为气室中碱金属的原子数密度，σp为光的吸收截面积，它表示每个原子对光子的吸收能力，即当光子与原子相互作用时被吸收的概率，z为抽运光在原子气室中的传播距离， 是增大到暂稳态的左旋圆偏振光作用下电子纵向极化率，Imin(z)是右旋圆偏振光作用下电子纵向极化率逐渐减小到暂稳态时的抽运光出筒光强即最小出筒光强， 是减小到暂稳态的右旋圆偏振光作用下电子纵向极化率。

[0035] 步骤4中包括以下公式：

[0036]

[0037] 其中U是抽运光出筒光强信号的峰值电压，KPD是光电探测器转换系数。

[0038] 步骤4中包括以下公式：

[0039]

[0040] 其中arcsinh是双曲正弦函数的反函数。

[0041] 一种SERF惯性测量装置电子纵向极化率在线测量与闭环方法，通过电光调制器调制抽运光在左旋圆偏振态和右旋圆偏振态之间快速切换，电子自旋指向随之发生翻转，纵向极化率也随之发生变化。抽运光光吸收随电子自旋纵向极化率的变化而变化，因此抽运光出筒光强的变化反映电子纵向极化率的变化情况。通过锁相放大器解调脉冲调制频率下抽运光出筒光强的峰值即实现SERF惯性测量装置电子纵向极化率的在线测量。通过控制液晶相位延迟器LCVR的相位延迟量来调节抽运光入筒光强，控制锁相放大器解调得到的抽运光出筒光强峰值电压保持不变，从而实现SERF惯性测量装置电子纵向极化率实时原位闭环控制。

[0042] 参考图1所示，一种SERF惯性测量装置电子极化率在线测量与闭环方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使用无磁电加热系统将SERF惯性测量装置气室加热至工作温度，对屏蔽筒进行消磁保证气室处于弱磁环境；步骤2，打开抽运激光器，使用饱和吸收稳频模块，将抽运激光频率锁定在K原子吸收峰D1线。控制电光调制器(EOM)驱动器施加脉冲方波电压，控制其低电平电压为0，高电平电压为电光调制器的半波电压 且低电平电压信号占空比大于高电平电压信号占空比。调节抽运光路1/4波片，使得脉冲低电平持续期间抽运激+光经电光调制器及1/4波片后为左旋(σ)圆偏振光，则脉冲高电平持续期间，光产生相位延‑
迟为π，则抽运激光经电光调制器及1/4波片后为右旋(σ)圆偏振光；步骤3，等待抽运达到稳态，进行三轴磁补偿，使得系统工作在陀螺状态下；步骤4，通过锁相放大器锁定抽运出筒光电探测器采集到的光功率信号在调制频率下的峰值电压，该峰值电压变化反应原子系综电子极化率变化情况，即实现了电子极化率原位在线测量；步骤5，以上述峰值电压信号为闭环反馈量，采用比例积分微分PID控制策略产生控制信号，将所述控制信号输入液晶相位延迟器，通过控制其相位延迟量来调节抽运光入筒光功率，来实现对所述峰值电压信号的闭环控制，即实时原位闭环SERF惯性测量装置电子纵向极化率。

[0043] 所述原子气室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L24，线圈外为一层锰锌铁氧体L23和三层坡莫合金L25组成的磁屏蔽系统里，提供无磁环境。

[0044] 所述抽运激光由抽运激光器L1出射，依次通过第一1/2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、电光调制器晶体L6、第三偏振分光棱镜L9、1/4波片L10后入射原子气室L21。所述检测激光由检测激光器L15出射，依次通过第二1/2波片L16、第四偏振分光棱镜L17后入射原子气室L21，检测出光依次通过第三1/2波片L18、第二光电探测器L19后转换为电压信号采集至上位机L20。

[0045] 所述电光调制模块包括电光调制器晶体L6及电光调制器控制器L7、外部信号触发器L8、第三偏振分光棱镜L9以及1/4波片L10；所述外部信号触发器L8连接电光调制器控制器L7以输入外部触发信号，电光调制器控制器L7输出响应高压脉冲驱动电压给电光调制器晶体L6。调节所述抽运光路1/4波片L10，使得脉冲低电平持续期间，所述第二偏振分光棱镜L5透射光束通过电光调制器晶体L6后无相位延迟，抽运激光经第三偏振分光棱镜L9及1/4+波片L10后为左旋(σ)圆偏振光；则脉冲高电平持续期间，所述第二偏振分光棱镜L5透射光束通过电光调制器晶体L6后产生相位延迟为π，抽运激光经第三偏振分光棱镜L9及1/4波片‑
L10后为右旋(σ)圆偏振光，设定低电平电压信号占空比大于高电平电压信号占空比，即抽+
运左旋(σ)圆偏振光持续时间较长。

[0046] 所述电子纵向极化率测量模块包括抽运出筒处衰减片L11、第一光电探测器L12以及锁相放大器L13。

[0047] 所述抽运激光通过电光调制模块时，入射原子气室的激光偏振态在左、右旋圆偏振光之间快速切换，电子自旋指向随之发生翻转，纵向极化率也随之发生变化。左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在通过原子气室L21时的透射光强度可以通过以下微分方程描述：

[0048]

[0049] 得出电子自旋纵向极化率 与I(z)的关系如下：

[0050]

[0051] 上式中I(z)为抽运光在位置z(出筒)处的光强度；z为抽运光在原子气室中的传播距离；N为气室中碱金属的原子数密度；p为光的吸收截面积，它表示每个原子对光子的吸收能力，即当光子与原子相互作用时被吸收的概率； 为碱金属原子的电子自旋纵向极化率，表示沿着z轴方向的电子自旋的平均取向；I(0)为抽运光入筒处初始光强度。式中 与I(z)之间存在单调关系。

[0052] 所述左旋圆偏振光作用下电子纵向极化率逐渐增大到暂稳态 此时出筒光强最大：

[0053]

[0054] 所述右旋圆偏振光作用下电子纵向极化率逐渐减小达到暂稳态此时出筒光强最小：

[0055]

[0056] 上式中 为左旋圆偏振光作用下电子纵向极化率暂稳态值，Imax(z)为相应状态下的出筒光强； 为右旋圆偏振光作用下电子纵向极化率暂稳态值，Imin(z)为相应状态下的出筒光强。

[0057] 所述锁相放大器L13解调抽运出筒光强信号峰值:

[0058]

[0059] 上式中U为锁相放大器L13解调抽运出筒光强信号的峰值电压；KPD为KPD为光电探测器的转换系数。 和Y之间存在单调关系。则抽运入筒光强为I(0)时，抽运光脉冲左右旋调制下暂稳态时电子纵向极化率为：

[0060]

[0061] arcsinh是双曲正弦函数(hyperbolic sine)的反函数，也被称为反双曲正弦(inverse hyperbolic sine)。

[0062] 所述电子纵向极化率闭环模块包括电子极化率测量模块、电控单元L14、液晶相位延迟器L4。电子纵向极化率测量模块得到的峰值电压信号为闭环反馈量，电控单元L14采用比例积分微分PID控制策略产生控制信号，将所述控制信号输入液晶相位延迟器L4，通过控制其相位延迟量来调节抽运光入筒光功率，来实现对所述峰值电压信号的闭环控制，即实时原位闭环SERF惯性测量装置电子纵向极化率。

[0063] 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。