[发明专利]一种用于原子自旋器件稳定的原子自旋SERF态的精密操控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SERF原子器件稳定的原子自旋SERF（无自旋交换弛豫）态的精密操控方法，可用于提高基于SERF原子器件如原子自旋陀螺仪、原子磁强计的刻度因子的稳定性、长时间漂移精度和低频灵敏度。

背景技术

基于SERF原子器件如原子自旋陀螺仪、原子磁强计以其具有超高精度、理论性能大幅超越现有陀螺仪、磁强计水平的特性得到了世界各国的重视，引起了该领域的研究热潮。原子自旋SERF态的实现是基于SERF原子器件的关键技术。原子自旋SERF态在光场、磁场、热场等多物理场的干扰下易发生退极化效应，但目前，由于基于SERF原子器件如原子自旋陀螺仪、原子磁强计的研究刚刚起步，原子自旋SERF态的控制还处于开环控制，没有进行稳定性控制，原子自旋SERF态很容易发生退极化效应，这不仅降低基于SERF原子器件的灵敏度，器件的刻度因子也会因SERF态的退极化导致电子极化率变化而稳定性降低，这必将导致基于SERF原子器件的长时间漂移精度降低、低频性能变差，限制其在某些领域的应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于基于SERF原子器件稳定的原子自旋SERF态的精密操控方法，用于提高基于原子自旋SERF效应的原子器件刻度因子稳定性，从而提高原子器件的精度。

本发明的技术解决方案为：一种用于原子器件稳定的原子自旋SERF态的精密操控方法，首先对原子自旋SERF态建立精确的模型并采取调制法测量原子自旋极化率建立控制目标，然后基于SERF模型建立尽量精确的控制系统模型并采用参数辨识的办法估计模型中的未知参数，最后根据控制目标，充分利用所建立的模型的特殊结构设计控制律即优化激光的开关时间、频率、方位、功率以及调制磁场的开关时间等，借鉴量子控制算法对原子自旋SERF态进行实时精密操控，具体步骤如下：

（1）建立原子自旋SERF态系统模型。以量子统计力学为基础，利用原子自旋交互碰撞电磁力作用下的原子碰撞散射计算方法，建立刘维尔密度矩阵演化方程，在此基础上，采用Bloch方程建立原子自旋SERF态系统模型。

（2）根据原子自旋SERF态的动力学特性，采用磁场调制法测量原子自旋极化率。其步骤为：

（2.1）采用迅速开断抽运激光（原子磁强计中因只有碱金属电子而无惰性气体核子可以省略此步骤使抽运激光一直保持打开状态即可）保证只有碱金属电子被极化而核自旋仍处于杂乱无章的自然状态。此时原子自旋陀螺仪的动力学方程可简化为原子磁强计动力学方程如下：

ddtS→=1q[γeB×S→+ROP(12s→-S→)-RrelS→]]]>

其中，q为核自旋衰减系数，γ^e为电子自旋的旋磁比，B为磁场，R_OP为原子的抽运率，R_rel为原子的弛豫率。

（2.2）求解步骤（2.1）中的动力学方程的稳态解，即令得上式方程的稳态解：