SERF陀螺氣室溫度對(duì)堿金屬譜線漂移的影響

秦 亮，石 猛，王天順，秦徳鑫，王學(xué)鋒

（1.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

陀螺是測(cè)量載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息的關(guān)鍵器件，構(gòu)成的自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在航空、航天、航海等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，通常慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能很大程度取決于陀螺的性能［1］。隨著陀螺技術(shù)的發(fā)展，新一代原子陀螺技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外慣性技術(shù)研究的重點(diǎn)。無自旋交換弛豫（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）陀螺具有超高精度、小體積和雙軸輸出等優(yōu)勢(shì)，已成為下一代超高精度原子陀螺中最有潛力的發(fā)展方向之一［2］。SERF陀螺中核自旋磁矩磁場(chǎng)自動(dòng)跟蹤并補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化，保證電子自旋不受外界環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，通過測(cè)量電子自旋與載體之間的夾角獲得載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息［3?4］。SERF陀螺的理論精度可以達(dá)到10-8（°）/h，同時(shí)體積上也具有小型化的潛力，具有廣闊的應(yīng)用空間。堿金屬氣室作為SERF陀螺的主要工作部件，其工作狀態(tài)對(duì)SERF陀螺性能影響很大。氣室溫度變化直接導(dǎo)致堿金屬吸收譜線移動(dòng)，進(jìn)而影響SERF陀螺性能。然而，關(guān)于SERF陀螺堿金屬譜線受溫度影響的研究還不是很全面，相關(guān)的工作國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少。此外，吸收譜線漂移問題在SERF陀螺工程化中也會(huì)對(duì)激光穩(wěn)頻和陀螺性能提升等方面造成阻礙。本文主要研究了SERF陀螺原子氣室溫度變化對(duì)堿金屬87Rb的D1線和D2線譜線位置的影響，結(jié)果表明，原子氣室溫度變化引起的頻率移動(dòng)系數(shù)分別為30.4MHz/K 和?45.4MHz/K，并對(duì)其影響陀螺零偏穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行理論分析。

1 理論分析

SERF陀螺在工作時(shí)主要使用激光對(duì)原子氣室中氣態(tài)堿金屬原子進(jìn)行激發(fā)，并對(duì)其電子自旋狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)得到陀螺輸出信號(hào)。因此，對(duì)激光頻率、功率等參數(shù)的控制和穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化陀螺相關(guān)性能指標(biāo)至關(guān)重要的因素。而精確穩(wěn)定控制激發(fā)激光頻率處于堿金屬D1線和D2線譜線位置，可以有效地提高SERF陀螺的零偏穩(wěn)定性等參數(shù)。SERF陀螺在工作時(shí)需要對(duì)原子氣室進(jìn)行加熱，使堿金屬汽化。在此過程中，原子的吸收譜線位置會(huì)受加熱溫度的影響而發(fā)生移動(dòng)。文獻(xiàn)報(bào)道的研究工作中指出，原子吸收譜線的變化會(huì)影響電子自旋極化率，進(jìn)而影響SERF陀螺的信號(hào)輸出，并導(dǎo)致陀螺的零偏漂移［5?9］。而吸收譜線的漂移也會(huì)對(duì)工程化實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻技術(shù)帶來一定的困難。

激光穩(wěn)頻是通過外置原子氣室將泵浦激光的頻率鎖定在固定位置，而鎖定的方法是通過負(fù)反饋的方式將頻率固定在吸收峰的谷底處，即中心譜線位置。當(dāng)溫度變化引起譜線的中心位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，激光的頻率鎖定位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致電子自旋極化率的變化，從而影響SERF陀螺的工作狀態(tài)。研究原子溫度對(duì)吸收譜線移動(dòng)的影響，可以在激光頻率閉環(huán)控制時(shí)加入溫度引起的譜線偏移量，保證原子氣室溫度波動(dòng)時(shí)激光頻率不隨著譜線移動(dòng)而變化。一些文獻(xiàn)研究了基于高氣壓下（＞1Pa）堿金屬譜線受溫度影響的情況［5?11］。本文中，SERF陀螺使用的原子氣室內(nèi)部氣壓在1Pa左右，而針對(duì)低氣壓（≤1Pa）情況下溫度對(duì)堿金屬譜線移動(dòng)的研究工作仍然較少。因此，研究1Pa左右溫度對(duì)堿金屬譜線移動(dòng)的影響對(duì)于提高SERF陀螺性能是非常有必要的。

本文選用銣（Rubidium，87Rb）作為SERF陀螺原子氣室中的堿金屬材料。87Rb原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要躍遷能級(jí)為D1線（795nm）和D2線（780nm）。通常狀況下，原子受多方面因素影響使其能級(jí)存在超精細(xì)結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致吸收譜線的展寬，其主要因素有原子的自然躍遷導(dǎo)致能級(jí)展寬、原子碰撞導(dǎo)致的壓力展寬以及原子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的Doppler展寬。

圖1 87Rb原子能級(jí)躍遷 D1線和D2線Fig.1 Hyperfine energy structure D1and D2absorption line of87Rb

自然展寬通常是10MHz量級(jí)，遠(yuǎn)小于其它兩種機(jī)制導(dǎo)致的能級(jí)展寬，在本文中可以忽略不做討論。壓力展寬產(chǎn)生的原因是堿金屬原子和緩沖氣體原子的碰撞導(dǎo)致能級(jí)展寬，在1Pa時(shí)接近10GHz。Doppler展寬是由于原子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能級(jí)展寬，在380K的氣室工作溫度處大約在5GHz左右。壓力展寬和Doppler展寬都會(huì)受到原子氣室溫度的影響。

堿金屬吸收光譜是在加熱的原子氣室后方，觀測(cè)激光被原子氣室中堿金屬吸收后的光強(qiáng)得到的。其激光光強(qiáng)可表述為

式（1）中，I0為光強(qiáng)，N［Rb］為87Rb 的密度，σ（v）為吸收譜線的截面，L為氣室長(zhǎng)度。吸收截面表達(dá)式為

式（2）中，re和f分別為電子電磁半徑和光透射系數(shù)，對(duì)于 D1線 f為 1/3，對(duì)于 D2線 f為 2/3；L（ν-ν0）為譜線形狀，有

式（3）中，Γ為線寬，ν0為譜線中心，二者都依賴于氣體壓強(qiáng)，并且會(huì)受到圖1中躍遷能級(jí)的子能級(jí)影響［8?9］。

文獻(xiàn)報(bào)道中顯示，當(dāng)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于1Pa時(shí)，譜線線寬主要取決于壓力展寬，譜線也會(huì)隨著氣壓增強(qiáng)線性移動(dòng)［9］。當(dāng)氣室內(nèi)壓強(qiáng)接近1Pa時(shí)，Doppler展寬對(duì)譜線的影響也占有一定比例。壓力展寬和Doppler展寬兩種機(jī)制存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，譜線移動(dòng)的系數(shù)也會(huì)與氣室壓強(qiáng)大于1Pa時(shí)不同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

吸收峰測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。一束由半導(dǎo)體DBR激光器發(fā)出的線偏振光通過準(zhǔn)直透鏡后穿過原子氣室，原子氣室通過無磁加熱片加熱，并放置在磁屏蔽系統(tǒng)內(nèi)以屏蔽隔絕地球磁場(chǎng)干擾；光電探測(cè)器放置于磁屏蔽桶后，用于接收穿過氣室的激光強(qiáng)度信號(hào)；激光器由一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行激光器輸入電流的線性掃描；一臺(tái)示波器用于光電探測(cè)器探測(cè)到的激光強(qiáng)度信號(hào)采集處理并分析。實(shí)驗(yàn)中使用原子氣室為8mm邊長(zhǎng)的正方體石英玻璃材料，內(nèi)壁厚度1mm，氣室中充有700Torr的N2和堿金屬87Rb。由于加熱系統(tǒng)的加熱功率限制，實(shí)驗(yàn)中原子氣室溫度選取350K、356K、362K、368K、374K和380K共6個(gè)溫度點(diǎn)。

圖2 吸收峰測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of absorption spectrum measurement setup

2.2 結(jié)果討論

由于本實(shí)驗(yàn)所使用半導(dǎo)體DBR激光器的特性，其輸出激光功率和頻率與輸入電流呈線性關(guān)系。因此，通過對(duì)激光器輸入電流進(jìn)行線性掃描即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出激光在微小范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)堿金屬吸收譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量。通過線性掃描激光頻率獲得的堿金屬87Rb典型吸收譜線如圖3所示。由于激光器的輸出功率和輸入電流也呈線性關(guān)系，因此激發(fā)氣室的激光功率和頻率都隨驅(qū)動(dòng)電流成周期性線性變化規(guī)律，并可用示波器采集，如圖3中藍(lán)色虛線所示。氣室中堿金屬的吸收光譜可由穿過氣室后激光光強(qiáng)的消光強(qiáng)度獲得。

圖3 87Rb原子吸收譜D1線及其擬合曲線Fig.3 D1line absorption spectrum of 87Rb and its fitting curve

堿金屬原子吸收截面σ（v）與吸收譜線相關(guān)［4］，其不同頻率下消光強(qiáng)度和譜線頻率關(guān)系可由如下公式擬合給出［10?11］

其中，式（4）的表達(dá)式有5個(gè)擬合參數(shù)，分別為譜線寬度Γ、中心位置 ν0及常系數(shù)a、b、c。式（4）中，第一項(xiàng)是吸收譜，后面兩項(xiàng)是線性項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)，S（v）為消光強(qiáng)度。由于超精細(xì)能級(jí)劈裂對(duì)于譜線線寬的影響遠(yuǎn)小于壓力展寬的影響，因而可以忽略。溫度對(duì)譜線位置移動(dòng)的影響可從不同溫度條件下的譜線形狀擬合得到。

通過測(cè)量87Rb的D1線與D2線吸收譜線，計(jì)算得到譜線位置隨溫度變化關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，隨著溫度的增加，D1線和D2線隨溫度的升高有著相反的移動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于D1線，譜線中心隨溫度增加呈近似線性增加的趨勢(shì)；而D2線隨溫度升高，譜線中心位置近似線性下降。擬合后，D1線和D2線溫度相關(guān)譜線移動(dòng)系數(shù)分別為30.4MHz/K 和-45.4MHz/K。

圖4 D1線和D2線譜線移動(dòng)隨溫度變化關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature variation and D1，D2lines

材料進(jìn)行光激發(fā)時(shí)，激光的中心波長(zhǎng)和譜線中心重合時(shí)激發(fā)量子效率最高。而通過研究結(jié)果可以看出，SERF陀螺氣室堿金屬在工作過程中，其譜線中心位置會(huì)受溫度的影響而發(fā)生移動(dòng)，這給泵浦激光的頻率閉環(huán)控制技術(shù)帶來了一定的難度。

原子氣室溫度的漂移會(huì)直接導(dǎo)致SERF陀螺的輸出漂移，其中一個(gè)重要的因素就是氣室溫度改變時(shí)堿金屬原子的吸收峰譜線的位置隨之改變，進(jìn)而影響原子自旋極化的泵浦效率以及探測(cè)激光的自旋探測(cè)結(jié)果。

SERF陀螺中線偏振的探測(cè)光通過原子氣室后，激光強(qiáng)度信號(hào)為［12］

3 結(jié)論

本文主要研究了填充1Pa的 N2時(shí)，溫度對(duì)Rb原子D1線和D2線譜線漂移的影響。通過對(duì)不同溫度下Rb原子吸收譜線進(jìn)行測(cè)試和擬合計(jì)算，研究了不同溫度下譜線中心的移動(dòng)情況。發(fā)現(xiàn)了堿金屬氣室溫度在變化過程中，D1線和D2線譜線有著不同的移動(dòng)趨勢(shì)。并結(jié)合這一結(jié)果，討論了溫度波動(dòng)對(duì)泵浦激光極化效率和探測(cè)激光偏振光旋角的影響，并最終對(duì)陀螺輸出結(jié)果造成影響。這一結(jié)果對(duì)于原子鐘、原子磁強(qiáng)計(jì)和原子陀螺等利用堿金屬工作的原子類儀表性能優(yōu)化都具有參考意義。