基于圆偏振探测光的光纤原子自旋进动检测技术

分析了极化碱金属气室的旋光特性,极化的原子气室宏观上可等效为一种法拉第旋光晶体,其旋光系数与原子自旋进动相关。提出了采用圆偏振探测光测量通过气室的左右旋圆偏振光相位差来实现原子自旋进动检测的思路。基于改进的全光纤反射型Sagnac干涉仪,搭建了光纤原子自旋进动检测系统,通过圆偏振探测光实现了无自旋交换弛豫态自旋进动信号的检测。在原子自旋陀螺仪实验平台上进行了实验验证并实现了陀螺效应,实验结果证明了所提理论的正确性。对陀螺性能进行了初步测试,得到其零偏不稳定性为0.29(°)/h。     

Spin-exchange relaxation of naturally abundant Rb in a K-Rb-21Ne self-compensated atomic comagnetometer

The total effective spin-exchange relaxation of naturally abundant Rb in a K–Rb–21Ne comagnetometer is analyzed,and the results show that the coexistence of 87Rb and 85Rb isotopes in the same volume can lead to a large extra spinexchange broadening compared to pure 87Rb.This broadening mainly comes from the contribution of the equivalent reduction in the Rb spin-exchange rate.On this basis,an approximate relaxation model is proposed and experimentally demonstrated to be more accurate than that from a previous work.This study also provides a method for determining the properties of alkali-metal vapor cells.     

敏感器正常和故障模式下微小卫星的姿态确定方法

围绕某日-地空间环境组网探测系统中微小卫星定姿系统的设计需求,基于MEMS陀螺、小型CMOS太阳敏感器、微磁强计,研究了该微小卫星各敏感器正常工作模式以及敏感器故障模式下的系统建模和姿态确定方法。各敏感器正常工作模式下,用陀螺、太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;陀螺故障时,用太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;太阳敏感器故障时,用陀螺和磁强计进行组合定姿;陀螺/太阳敏感器同时故障时,用磁强计进行定姿。仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中微小卫星在轨运行时的定姿精度要求,为该微小卫星的半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

Polarization and fundamental sensitivity of 39K(133Cs)-85Rb-21Ne co-magnetometers

The hybrid optical pumping spin exchange relaxation free(HOPSERF)atomic co-magnetometers make ultrahigh sensitivity measurement of inertia achievable.The wall relaxation rate has a big effect on the polarization and fundamental sensitivity for the co-magnetometer,but it is often neglected in the experiments.However,there is almost no work about the systematic analysis of the influence factors on the polarization and the fundamental sensitivity of the HOPSERF co-magnetometers.Here we systematically study the polarization and the fundamental sensitivity of 39K-85Rb-21Ne and 133Cs-85Rb-21Ne HOPSERF co-magnetometers with low polarization limit and the wall relaxation rate.The 21Ne number density,the power density and wavelength of pump beam will affect the polarization greatly by affecting the pumping rate of the pump beam.We obtain a general formula on the fundamental sensitivity of the HOPSERF co-magnetometers due to shot-noise and the fundamental sensitivity changes with multiple systemic parameters,where the suitable number density of buffer gas and quench gas make the fundamental sensitivity highest.The fundamental sensitivity 7.5355×10^-11 rad·s^-1·Hz^-1/2 of 133Cs-85Rb-21Ne co-magnetometer is higher than the ultimate theoretical sensitivity 2×10^-10 rad·s^-1·Hz^-1/2 of K-21Ne co-magnetometer.     

空位缺陷对β-AgVO_3电子结构和光吸收性能的影响

基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对β-AgVO_3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法,对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能,确定了β-AgVO_3中主要形成Ag3空位和O1空位,并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得β-AgVO_3带隙有一定程度的减小;Ag3空位使β-AgVO_3呈现p-型半导体性质,而O1空位和Ag3-O1双空位使β-AgVO_3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.     

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响，因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移，且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽，因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系，提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱，得到光学深度曲线，并用洛伦兹函数对其拟合，测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移，再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移，联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时，最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明，该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况；激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时，测量精度影响低于0.4%的数量级，而温度波动在1%～10%的数量级时，测量精度影响高达30%的数量级。     

基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析

利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。碱金属气室为该类器件的敏感表头。碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数,对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。首先对碱金属气室加恒定磁场,利用激光作为检测光,根据光偏振旋转原理,检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角,得到碱金属气室原子密度。然后将碱金属原子抽运,利用激光作为检测光,检测通过气室的偏振光的偏转角,得到碱金属原子极化率。该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度,实现利用一套系统测量两个重要参数,具有快速测量和高灵敏度等特点,简化了实验设备及过程。对两种偏转角进行仿真分析,得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响,根据仿真图得到检测激光波长的可取范围,验证了该方法的可行性。最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响,提出实验对激光器与磁场的要求。     

原子吸收光谱对碱金属原子蒸气密度与压强的测量方法

利用SERF原子自旋效应能够实现高灵敏度的磁场测量,碱金属原子密度与缓冲气体压强是敏感表头碱金属气室的重要参数,需要精确地测量。提出一种应用原子吸收光谱对碱金属蒸气的原子密度与压强测量方法,通过扫描碱金属原子的吸收光谱,进行Lorentz线型拟合,经解算同时得到原子密度和压强,一次实验获得两个物理量。由于多普勒展宽和压力展宽主要受到碱金属气室温度和缓冲气体压强的影响,从这两个方面进行了仿真分析。结果表明,充入2amg缓冲气体时,313~513K温度范围内的Lorentz线型与Voigt线型计算的光子吸收截面积峰值的理论误差始终小于0.015%;缓冲气体压强高于0.6amg(393K)时,其峰值误差小于0.1%,表明该条件下多普勒展宽对吸收光谱的影响可以忽略,可用Lorentz线型拟合原子的吸收谱线。最后分析了该方法能够获得的理论分辨率以及激光器的功率波动、波长波动和气室温度波动对测量精度的影响,得出同等条件下温度波动的影响比其他两个因素高1~2个数量级。     

Determination of Atomic Number Densities of ^87Rb and ^3He Based on Absorption Spectroscopy

The atomic number densities of ^87 Rb vapor and surrounding gas 3He in a sealed cubic cell were measured by sweeping the absorption line and fitting the experimental data with a Lorentzian profile. The absorption was carried out around the D1 transition at different temperatures. We compare our results for the number density for^87 Rb with the previous methods and calculate the fractional error to be less than 5% as well as the error for ^3He between this work and the density obtained from the filling procedure to be no more than 4.2% at 370K. In addition, we discuss the factors that contribute to the error, among which the cell temperature plays the most important role.     

无自旋交换弛豫原子自旋陀螺非线性特性实验研究

采用基于圆偏振探测光的光纤Sagnac原子自旋进动闭环检测技术,实验测试了无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺在两种不同抽运状态下的角速度输入/输出特性,发现了SERF原子自旋陀螺输出的非线性现象。基于SERF原子自旋陀螺理论,建立了非线性响应模型并进行仿真研究,仿真结果与实验测试一致。研究表明:SERF原子自旋陀螺的非线性由原子内在相互作用决定,与总电子弛豫率R_(tot)密切相关。