核磁共振原子自旋陀螺中自旋交换及频移研究

The nuclear magnetic resonance atomic spin gyroscope, which has the advantages such as high-precision, small-size, and shock/vibration-tolerant, has an opportunity to enable the world-first chip-scale gyroscope with the navigation-grade performance. NMR-ASGs measure angle or angular rate by observing precession frequency of the nuclei spin, so unexpected frequency shift will lead to zero drift. We discussed several interactions about the spin system in the gas cell, based on the analysis of the set-up, manipulation and detection of macro-spin magnetic moment. Firstly, the quantitative relationship between some parameters such as pumping laser power, gas components in the cell and spin polarization states is obtained through building the spin-exchange optical pumping model for NMR-ASG. Secondly, precession frequency as a function of parameters of the spin magnetic moment and feedback system is obtained by deriving and solving the equation of nuclei spin dynamics. Thirdly, the influence of magnetometer on the state of nuclei spin is considered. In the end, various frequency shift mechanisms, especially those that cannot be common-mode-suppressed are discussed. The project bridges zero drift and the operation parameters as well as conditions, establishing a good theoretical foundation for the development of high-precision NMR-ASG.

核磁共振-原子自旋陀螺（NMR-ASG）具有高精度、小体积、抗冲击振动等优点，是芯片尺寸导航级陀螺的最可能实现方案。NMR-ASG所感测的信息反映在核自旋进动频率上，无规频移即表现为核心指标零漂。在对NMR-ASG中宏观磁矩的建立、操控与检测等物理过程分析的基础上，以其气室中的自旋系统为核心，讨论了自旋相关的多种精细相互作用。首先，建立适合NMR-ASG的自旋交换光泵浦模型，从而获得泵浦激光功率、气室内气压气比等参数与自旋极化状态之间的定量关系，以及气室内参数不均匀的影响；其次，将自旋与反馈系统看作整体，导出核自旋动力学方程并进行近似求解，得到进动频率与自旋系统、反馈系统参数的关系。然后，考虑磁力仪对核自旋运动状态的影响。最后，讨论多种频移机制，并重点研究不能通过双同位素共模差动抑制的频移。项目搭起了零漂与NMR-ASG工作参数、条件之间的桥梁，为高精度NMR-ASG的研制奠定了理论基础。

核磁共振-原子自旋陀螺（NMR-ASG）具有高精度、小体积、抗冲击振动等优点，是芯片尺寸导航级陀螺的最可能实现方案之一。NMR-ASG所感测的信息反映在核自旋进动频率上，无规不可控频移即表现为核心指标零漂。项目在对NMR-ASG中宏观磁矩的建立、操控与检测等物理过程分析的基础上，以其气室中的自旋系综为核心，讨论了自旋相关的多种精细相互作用及其导致的频移。首先，建立适合NMR-ASG的自旋交换光泵浦模型，从而获得泵浦激光功率、气室内气压气比等参数与自旋极化状态之间的定量关系；其次，将自旋与闭环反馈系统看作整体，导出核自旋动力学方程并进行近似求解，得到进动频率与自旋系综、反馈系统参数的关系。然后，考虑磁力仪对核自旋运动状态及其频移的影响。最后，讨论多种频移机制，并重点研究不能通过双同位素共模差动抑制的频移。项目主要结果如下：（1）对铷原子参量调制磁力仪的频率响应特性、线性测量范围等特性进行了系统分析，频率响应表现为一阶低通特性，开环情况下测量范围与铷原子的纵向与横向弛豫时间之积成反比。（2）对基于核自旋的闭环振荡器建立物理模型，讨论了自激振荡闭环与锁相闭环两种方案下核自旋的频移特性，发现锁相闭环具有更快的收敛速度、更小的动态误差。此外，反馈环路中滤波器也会对闭环振荡频率产生影响。（3）尽管在NMR-ASG的工作条件下，铷电子自旋与氙核自旋为弱耦合，但二者的相互作用也会导致核自旋产生类似辐射阻尼的效应，从而导致核自旋频移。（4）发现光场分布不均匀也会导致核自旋加速弛豫。（5）提出了一种测量核自旋纵向弛豫时间的方法。（6）提出了一种光极化单类原子共磁力仪。上述研究搭起了零漂与NMR-ASG工作参数、条件之间的桥梁，为高精度NMR-ASG的研制奠定了理论基础。