本發(fā)明涉及原子自旋慣性測量，具體涉及一種基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，通過在堿金屬氣室內集成光腔提高了檢測激光與原子在小體積內有效作用距離，增強了系統(tǒng)輸出信號強度，提升了serf慣性測量裝置信號的信噪比，對于serf慣性測量裝置靈敏度的提升有重要意義。

背景技術：

1、基于無自旋交換弛豫(spin-exchange-relaxation-free，serf)效應的原子自旋慣性測量裝置通過堿金屬原子和惰性氣體原子間的相互作用放大信號，實現(xiàn)serf慣性測量，是下一代超高精度慣性測量技術的發(fā)展方向之一，并面向超出標準模型的新物理研究，其靈敏度從根源上決定了慣性器件的極限漂移和系統(tǒng)的探測極限。

2、serf慣性測量裝置的靈敏度是由探測信號的信噪比決定的。serf慣性測量裝置作為光探測系統(tǒng)，提高光與原子作用的距離來提高檢測信號強度是提升系統(tǒng)信噪比的關鍵技術之一，在不改變系統(tǒng)其他參數(shù)的情況下，增大檢測光在堿金屬氣室內的光程可以有效提高系統(tǒng)輸出旋光信號的強度，增加serf慣性測量裝置的探測靈敏度。

3、現(xiàn)階段有方法通過在堿金屬氣室旁外置反射鏡提高檢測光光程，但由于反射鏡外置在堿金屬氣室兩側，檢測光在反射過程中會多次穿出氣室，這會導致檢測光在多次反射過程中與原子的實際有效作用距離不能得到較大提升，并且氣室玻璃引起的雙折射現(xiàn)象會給檢測光的偏振帶來影響，降低了系統(tǒng)探測信號的準確性。此外，目前在serf慣性測量裝置中實現(xiàn)檢測光多程反射的方式是在檢測光路內增加兩平面反射鏡，這種方式無法在堿金屬氣室的小體積內實現(xiàn)多的反射次數(shù)，對serf慣性測量裝置靈敏度的提升能力有限。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問題是：通過集成在堿金屬氣室內的光腔來實現(xiàn)檢測光在小體積內的多次反射，提升了檢測光在堿金屬氣室內與原子的有效作用距離，提升了serf慣性測量裝置信號的信噪比，搭建了一種基于光腔檢測的serf慣性測量裝置。

2、本發(fā)明的技術解決方案如下：

3、一種基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，包括堿金屬氣室，其特征在于，所述堿金屬氣室內設置有多程反射光腔結構，所述多程反射光腔結構包括位于檢測光入射側的第一光腔反射鏡和位于檢測光出射側的第二光腔反射鏡，所述第一光腔反射鏡的檢測光輸入接口將來自堿金屬氣室外的檢測光導向至所述第二光腔反射鏡的反射面上，檢測光在兩個反射面上來回反射至形成多程反射后從所述第二光腔反射鏡的檢測光輸出接口出射到堿金屬氣室外。

4、光腔反射鏡是球面鏡、柱面鏡或平面鏡，所述光腔反射鏡的側邊具有定位平面，所述檢測光輸入接口和所述檢測光輸出接口均為通光孔。

5、所述多程反射光腔結構包括與堿金屬氣室底面通過陽極鍵合方式結合的硅片底面，所述第一光腔反射鏡和第二光腔反射鏡均通過陽極鍵合方式固定在所述硅片底面上。

6、所述堿金屬氣室位于無磁加熱模塊內，所述無磁加熱模塊位于三軸補償線圈內，所述三軸補償線圈位于鋅錳鐵氧體內，所述鋅錳鐵氧體位于坡莫合金磁屏蔽桶內。

7、所述堿金屬氣室的檢測光入射側依次通過第三反射鏡、第二反射鏡、第二1/4波片、光彈調制器、檢測起偏器、第二光闌、第三透鏡、第二透鏡和第四格蘭泰勒棱鏡連接檢測激光器，所述堿金屬氣室的檢測光出射側依次通過第四反射鏡、第五反射鏡、第四透鏡、檢測檢偏器、第二光電探測器和鎖相放大模塊連接上位機。

8、所述上位機接收到的信號為：

9、

10、其中，s為系統(tǒng)的輸出信號，k1為系統(tǒng)對旋光信號的放大倍數(shù)，θ是旋光角，n為氣室內原子數(shù)密度，c為光速，re為電子半徑，fd1為表征振子強度的常數(shù)，l為檢測光與原子有效作用長度，v為檢測激光頻率，v0為吸收激光的中心頻率，γ為堿金屬原子d1線的壓力展寬，為電子的縱向極化率，為電子的橫向弛豫率，γe為電子旋磁比，lz為光頻移，γn為核子的旋磁比，ωy為系統(tǒng)輸入角速度。

11、所述堿金屬氣室的抽運光入射側依次通過第一反射鏡、第一1/4波片、第一光闌、第三格蘭泰勒棱鏡、第二1/2波片、第二格蘭泰勒棱鏡、液晶相位延遲器、第一格蘭泰勒棱鏡、第一1/2波片和第一透鏡連接抽運激光器，所述液晶相位延遲器依次通過光功率穩(wěn)定模塊和第一光電探測器連接所述第三格蘭泰勒棱鏡。

12、本發(fā)明的技術效果如下：本發(fā)明一種基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，通過在堿金屬氣室內集成光腔提高了檢測激光與原子在小體積內的有效作用距離，增強了系統(tǒng)輸出信號的強度，提升了serf慣性測量裝置信號的信噪比，對于serf慣性測量裝置靈敏度的提升有重要意義。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

14、(1)將多程反射光腔集成在堿金屬氣室內，使得檢測光的傳播路徑均在氣室內部，減小檢測光來回穿過氣室給檢測光偏振帶來的影響，另一方面提高檢測光與原子的實際有效作用距離。

15、(2)通過集成在堿金屬氣室內光腔的參數(shù)設計，能夠在氣室這一小體積內實現(xiàn)多的反射次數(shù)，提高了系統(tǒng)能夠達到的靈敏度極限，并且對裝置的集成化小型化有重要意義。

技術特征：

1.一種基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，包括堿金屬氣室，其特征在于，所述堿金屬氣室內設置有多程反射光腔結構，所述多程反射光腔結構包括位于檢測光入射側的第一光腔反射鏡和位于檢測光出射側的第二光腔反射鏡，所述第一光腔反射鏡的檢測光輸入接口將來自堿金屬氣室外的檢測光導向至所述第二光腔反射鏡的反射面上，檢測光在兩個反射面上來回反射至形成多程反射后從所述第二光腔反射鏡的檢測光輸出接口出射到堿金屬氣室外。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，光腔反射鏡是球面鏡、柱面鏡或平面鏡，所述光腔反射鏡的側邊具有定位平面，所述檢測光輸入接口和所述檢測光輸出接口均為通光孔。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，所述多程反射光腔結構包括與堿金屬氣室底面通過陽極鍵合方式結合的硅片底面，所述第一光腔反射鏡和第二光腔反射鏡均通過陽極鍵合方式固定在所述硅片底面上。

4.根據(jù)權利要求1所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，所述堿金屬氣室位于無磁加熱模塊內，所述無磁加熱模塊位于三軸補償線圈內，所述三軸補償線圈位于鋅錳鐵氧體內，所述鋅錳鐵氧體位于坡莫合金磁屏蔽桶內。

5.根據(jù)權利要求1所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，所述堿金屬氣室的檢測光入射側依次通過第三反射鏡、第二反射鏡、第二1/4波片、光彈調制器、檢測起偏器、第二光闌、第三透鏡、第二透鏡和第四格蘭泰勒棱鏡連接檢測激光器，所述堿金屬氣室的檢測光出射側依次通過第四反射鏡、第五反射鏡、第四透鏡、檢測檢偏器、第二光電探測器和鎖相放大模塊連接上位機。

6.根據(jù)權利要求5所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，所述上位機接收到的信號為：

7.根據(jù)權利要求1所述的基于光腔檢測的serf慣性測量裝置，其特征在于，所述堿金屬氣室的抽運光入射側依次通過第一反射鏡、第一1/4波片、第一光闌、第三格蘭泰勒棱鏡、第二1/2波片、第二格蘭泰勒棱鏡、液晶相位延遲器、第一格蘭泰勒棱鏡、第一1/2波片和第一透鏡連接抽運激光器，所述液晶相位延遲器依次通過光功率穩(wěn)定模塊和第一光電探測器連接所述第三格蘭泰勒棱鏡。

技術總結
一種基于光腔檢測的SERF慣性測量裝置，通過在堿金屬氣室內集成光腔提高了檢測激光與原子在小體積內的有效作用距離，增強了系統(tǒng)輸出信號的強度，提升了SERF慣性測量裝置信號的信噪比，對于SERF慣性測量裝置靈敏度的提升有重要意義，其特征在于，包括堿金屬氣室，所述堿金屬氣室內設置有多程反射光腔結構，所述多程反射光腔結構包括位于檢測光入射側的第一光腔反射鏡和位于檢測光出射側的第二光腔反射鏡，所述第一光腔反射鏡的檢測光輸入接口將來自堿金屬氣室外的檢測光導向至所述第二光腔反射鏡的反射面上，檢測光在兩個反射面上來回反射至形成多程反射后從所述第二光腔反射鏡的檢測光輸出接口出射到堿金屬氣室外。

技術研發(fā)人員：魏凱,鄭潔,黃曉菲,龔定輝,田國慶,全偉
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9