SERF陀螺氣室溫度對堿金屬譜線漂移的影響

秦 亮，石 猛，王天順，秦徳鑫，王學鋒

（1.中國航天科技集團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

陀螺是測量載體轉動信息的關鍵器件，構成的自主慣性導航系統在航空、航天、航海等領域具有重要應用，通常慣性導航系統的性能很大程度取決于陀螺的性能［1］。隨著陀螺技術的發展，新一代原子陀螺技術已經成為國內外慣性技術研究的重點。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勢，已成為下一代超高精度原子陀螺中最有潛力的發展方向之一［2］。SERF陀螺中核自旋磁矩磁場自動跟蹤并補償外界磁場的變化，保證電子自旋不受外界環境磁場的干擾，通過測量電子自旋與載體之間的夾角獲得載體轉動信息［3?4］。SERF陀螺的理論精度可以達到10-8（°）/h，同時體積上也具有小型化的潛力，具有廣闊的應用空間。堿金屬氣室作為SERF陀螺的主要工作部件，其工作狀態對SERF陀螺性能影響很大。氣室溫度變化直接導致堿金屬吸收譜線移動，進而影響SERF陀螺性能。然而，關于SERF陀螺堿金屬譜線受溫度影響的研究還不是很全面，相關的工作國內外報道較少。此外，吸收譜線漂移問題在SERF陀螺工程化中也會對激光穩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堿金屬87Rb的D1線和D2線譜線位置的影響，結果表明，原子氣室溫度變化引起的頻率移動系數分別為30.4MHz/K 和?45.4MHz/K，并對其影響陀螺零偏穩定性等參數進行理論分析。

1 理論分析

SERF陀螺在工作時主要使用激光對原子氣室中氣態堿金屬原子進行激發，并對其電子自旋狀態進行檢測得到陀螺輸出信號。因此，對激光頻率、功率等參數的控制和穩定是實現并優化陀螺相關性能指標至關重要的因素。而精確穩定控制激發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陀螺的零偏穩定性等參數。SERF陀螺在工作時需要對原子氣室進行加熱，使堿金屬汽化。在此過程中，原子的吸收譜線位置會受加熱溫度的影響而發生移動。文獻報道的研究工作中指出，原子吸收譜線的變化會影響電子自旋極化率，進而影響SERF陀螺的信號輸出，并導致陀螺的零偏漂移［5?9］。而吸收譜線的漂移也會對工程化實現激光穩頻技術帶來一定的困難。

激光穩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。當溫度變化引起譜線的中心位置發生移動時，激光的頻率鎖定位置也會發生相應變化，導致電子自旋極化率的變化，從而影響SERF陀螺的工作狀態。研究原子溫度對吸收譜線移動的影響，可以在激光頻率閉環控制時加入溫度引起的譜線偏移量，保證原子氣室溫度波動時激光頻率不隨著譜線移動而變化。一些文獻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部氣壓在1Pa左右，而針對低氣壓（≤1Pa）情況下溫度對堿金屬譜線移動的研究工作仍然較少。因此，研究1Pa左右溫度對堿金屬譜線移動的影響對于提高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原子的能級結構如圖1所示，主要躍遷能級為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存在超精細結構而導致吸收譜線的展寬，其主要因素有原子的自然躍遷導致能級展寬、原子碰撞導致的壓力展寬以及原子熱運動導致的Doppler展寬。

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

自然展寬通常是10MHz量級，遠小于其它兩種機制導致的能級展寬，在本文中可以忽略不做討論。壓力展寬產生的原因是堿金屬原子和緩沖氣體原子的碰撞導致能級展寬，在1Pa時接近10GHz。Doppler展寬是由于原子熱運動導致能級展寬，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，觀測激光被原子氣室中堿金屬吸收后的光強得到的。其激光光強可表述為

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

式（2）中，re和f分別為電子電磁半徑和光透射系數，對于 D1線 f為 1/3，對于 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，并且會受到圖1中躍遷能級的子能級影響［8?9］。

文獻報道中顯示，當氣室內部壓強遠大于1Pa時，譜線線寬主要取決于壓力展寬，譜線也會隨著氣壓增強線性移動［9］。當氣室內壓強接近1Pa時，Doppler展寬對譜線的影響也占有一定比例。壓力展寬和Doppler展寬兩種機制存在競爭關系，譜線移動的系數也會與氣室壓強大于1Pa時不同。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗裝置

吸收峰測量的實驗裝置如圖2所示。一束由半導體DBR激光器發出的線偏振光通過準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內以屏蔽隔絕地球磁場干擾；光電探測器放置于磁屏蔽桶后，用于接收穿過氣室的激光強度信號；激光器由一臺信號發生器驅動，進行激光器輸入電流的線性掃描；一臺示波器用于光電探測器探測到的激光強度信號采集處理并分析。實驗中使用原子氣室為8mm邊長的正方體石英玻璃材料，內壁厚度1mm，氣室中充有700Torr的N2和堿金屬87Rb。由于加熱系統的加熱功率限制，實驗中原子氣室溫度選取350K、356K、362K、368K、374K和380K共6個溫度點。

圖2 吸收峰測量實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of absorption spectrum measurement setup

2.2 結果討論

由于本實驗所使用半導體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系。因此，通過對激光器輸入電流進行線性掃描即可實現對輸出激光在微小范圍內進行頻率掃描，從而實現對堿金屬吸收譜線精細結構的測量。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系，因此激發氣室的激光功率和頻率都隨驅動電流成周期性線性變化規律，并可用示波器采集，如圖3中藍色虛線所示。氣室中堿金屬的吸收光譜可由穿過氣室后激光光強的消光強度獲得。

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［4］，其不同頻率下消光強度和譜線頻率關系可由如下公式擬合給出［10?11］

其中，式（4）的表達式有5個擬合參數，分別為譜線寬度Γ、中心位置 ν0及常系數a、b、c。式（4）中，第一項是吸收譜，后面兩項是線性項和常數項，S（v）為消光強度。由于超精細能級劈裂對于譜線線寬的影響遠小于壓力展寬的影響，因而可以忽略。溫度對譜線位置移動的影響可從不同溫度條件下的譜線形狀擬合得到。

通過測量87Rb的D1線與D2線吸收譜線，計算得到譜線位置隨溫度變化關系如圖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趨勢。對于D1線，譜線中心隨溫度增加呈近似線性增加的趨勢；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線溫度相關譜線移動系數分別為30.4MHz/K 和-45.4MHz/K。

圖4 D1線和D2線譜線移動隨溫度變化關系Fig.4 Relationship between temperature variation and D1，D2lines

材料進行光激發時，激光的中心波長和譜線中心重合時激發量子效率最高。而通過研究結果可以看出，SERF陀螺氣室堿金屬在工作過程中，其譜線中心位置會受溫度的影響而發生移動，這給泵浦激光的頻率閉環控制技術帶來了一定的難度。

原子氣室溫度的漂移會直接導致SERF陀螺的輸出漂移，其中一個重要的因素就是氣室溫度改變時堿金屬原子的吸收峰譜線的位置隨之改變，進而影響原子自旋極化的泵浦效率以及探測激光的自旋探測結果。

SERF陀螺中線偏振的探測光通過原子氣室后，激光強度信號為［12］

3 結論

本文主要研究了填充1Pa的 N2時，溫度對Rb原子D1線和D2線譜線漂移的影響。通過對不同溫度下Rb原子吸收譜線進行測試和擬合計算，研究了不同溫度下譜線中心的移動情況。發現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趨勢。并結合這一結果，討論了溫度波動對泵浦激光極化效率和探測激光偏振光旋角的影響，并最終對陀螺輸出結果造成影響。這一結果對于原子鐘、原子磁強計和原子陀螺等利用堿金屬工作的原子類儀表性能優化都具有參考意義。