一種用于原子自旋器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法技術

一種用于原子自旋器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法，首先對原子自旋SERF態建立精確的方程并采取調制法測量原子自旋極化率建立控制目標，然后基于SERF模型建立盡量精確的控制系統模型并采用參數辨識的辦法估計模型中的未知參數，最后根據控制目標，充分利用所建立的模型的特殊結構設計控制律即優化激光的開關時間、頻率、方位、功率以及調制磁場的開關時間，借鑒量子控制算法對原子自旋SERF態進行實時精密操控。本發明專利技術提高了原子自旋弛豫時間，解決基于原子自旋SERF效應的原子器件如原子自旋陀螺儀、原子磁強計的刻度因子不穩定性問題，可用于提高基于SERF原子自旋器件的長時間漂移精度和低頻靈敏度。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于SERF原子器件穩定的原子自旋SERF (無自旋交換弛豫)態的精密操控方法，可用于提高基于SERF原子器件如原子自旋陀螺儀、原子磁強計的刻度因子的穩定性、長時間漂移精度和低頻靈敏度。
技術介紹
基于SERF原子器件如原子自旋陀螺儀、原子磁強計以其具有超高精度、理論性能大幅超越現有陀螺儀、磁強計水平的特性得到了世界各國的重視，引起了該領域的研究熱潮。原子自旋SERF態的實現是基于SERF原子器件的關鍵技術。原子自旋SERF態在光場、磁場、熱場等多物理場的干擾下易發生退極化效應，但目前，由于基于SERF原子器件如原子自旋陀螺儀、原子磁強計的研究剛剛起步，原子自旋SERF態的控制還處于開環控制，沒 有進行穩定性控制，原子自旋SERF態很容易發生退極化效應，這不僅降低基于SERF原子器件的靈敏度，器件的刻度因子也會因SERF態的退極化導致電子極化率變化而穩定性降低，這必將導致基于SERF原子器件的長時間漂移精度降低、低頻性能變差，限制其在某些領域的應用。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種用于基于SERF原子器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法，用于提高基于原子自旋SERF效應的原子器件刻度因子穩定性，從而提高原子器件的精度。本專利技術的技術解決方案為一種用于原子器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法，首先對原子自旋SERF態建立精確的模型并采取調制法測量原子自旋極化率建立控制目標，然后基于SERF模型建立盡量精確的控制系統模型并采用參數辨識的辦法估計模型中的未知參數，最后根據控制目標，充分利用所建立的模型的特殊結構設計控制律即優化激光的開關時間、頻率、方位、功率以及調制磁場的開關時間等，借鑒量子控制算法對原子自旋SERF態進行實時精密操控，具體步驟如下(I)建立原子自旋SERF態系統模型。以量子統計力學為基礎，利用原子自旋交互碰撞電磁力作用下的原子碰撞散射計算方法，建立劉維爾密度矩陣演化方程，在此基礎上，采用Bloch方程建立原子自旋SERF態系統模型。(2)根據原子自旋SERF態的動力學特性，采用磁場調制法測量原子自旋極化率。其步驟為(2. I)采用迅速開斷抽運激光(原子磁強計中因只有堿金屬電子而無惰性氣體核子可以省略此步驟使抽運激光一直保持打開狀態即可)保證只有堿金屬電子被極化而核自旋仍處于雜亂無章的自然狀態。此時原子自旋陀螺儀的動力學方程可簡化為原子磁強計動力學方程如下本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于原子自旋器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法，其特征在于包括以下步驟：（1）建立原子自旋SERF（無自旋交換弛豫）態方程利用原子自旋交互碰撞電磁力作用下的原子碰撞散射計算方法，建立劉維爾密度矩陣演化方程：其中ρ為原子系統在空間的密度，RSE為原子自旋交換碰撞時間，ROP為原子的光抽運率，為原子的極化率，為原子的極化方向；H為哈密頓量，φ為原子通量，為普朗克常數，為數學求梯度，D為數學求導數；在此基礎上，采用Bloch方程建立原子自旋SERF態系統方程：ddtS→=1q[γeB×S→+ROP(12s→-S→)-RrelS→]其中，q為核自旋衰減系數，γe為電子自旋的旋磁比，Rrel為電子的自旋弛豫率；B為原子感受的磁場；（2）根據原子自旋SERF態的動力學特性，采用磁場調制法測量原子自旋極化率；（3）根據原子自旋SERF態系統方程和所需的原子自旋極化率建立原子自旋SERF態的控制系統模型其中ρn為原子系統在空間的密度，TKS為電子－核子自旋交換碰撞弛豫時間，TSDn為核子自旋碰撞時間，為電子極化率，[X]為核子的密度，кKS為增益常數，ge、gn為電子、核子的g因子，μB、μn為電子、核子的玻爾電 子磁矩、質子磁矩，ROP為原子的光抽運率，為原子的極化方向，a、b、c原子自旋SERF態控制系統模型中的未知參數；其次，根據原子自旋SERF態的控制系統模型施加到基于SERF原子自旋器件系統保證原子自旋極化率恒定；然后采用參數辨識的辦法估計原子自旋SERF態控制系統模型中的未知參數a、b、c，并采用最優控制、魯棒控制、自適應、或者自抗擾的控制策略解決原子自旋SERF態控制系統量子量測結構的不確定性；（4）利用步驟（3）所建立的原子自旋SERF態系統控制模型設計控制律，優化磁場調制的開關時間，開通磁場調制測量原子自旋極化率并停止原子器件的角速度和磁場測量，當原子自旋極化率偏離目標值時，調節激光的頻率、方位及功率保證原子極化率回歸目標值；當原子自旋極化率回歸到目標值后再斷開磁場調制進行原子器件角速度和磁場測量。FDA00002263671500011.jpg,FDA00002263671500012.jpg,FDA00002263671500013.jpg,FDA00002263671500014.jpg,FDA00002263671500015.jpg,FDA00002263671500017.jpg,FDA00002263671500018.jpg,FDA00002263671500021.jpg...

【技術特征摘要】
1.一種用于原子自旋器件穩定的原子自旋SERF態的精密操控方法，其特征在于包括以下步驟 (1)建立原子自旋SERF(無自旋交換弛豫)態方程 利用原子自旋交互碰撞電磁力作用下的原子碰撞散射計算方法，建立劉維爾密度矩陣演化方程2.根據權利要求I所述的原子自旋SERF態的精密操控方法...

【專利技術屬性】
技術研發人員：房建成，萬雙愛，秦杰，陳瑤，李茹杰，全偉，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：