SERF陀螺气室温度对碱金属谱线漂移的影响

秦 亮，石 猛，王天顺，秦徳鑫，王学锋

（1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

0 引言

陀螺是测量载体转动信息的关键器件，构成的自主惯性导航系统在航空、航天、航海等领域具有重要应用，通常惯性导航系统的性能很大程度取决于陀螺的性能［1］。随着陀螺技术的发展，新一代原子陀螺技术已经成为国内外惯性技术研究的重点。无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）陀螺具有超高精度、小体积和双轴输出等优势，已成为下一代超高精度原子陀螺中最有潜力的发展方向之一［2］。SERF陀螺中核自旋磁矩磁场自动跟踪并补偿外界磁场的变化，保证电子自旋不受外界环境磁场的干扰，通过测量电子自旋与载体之间的夹角获得载体转动信息［3⁃4］。SERF陀螺的理论精度可以达到10-8（°）/h，同时体积上也具有小型化的潜力，具有广阔的应用空间。碱金属气室作为SERF陀螺的主要工作部件，其工作状态对SERF陀螺性能影响很大。气室温度变化直接导致碱金属吸收谱线移动，进而影响SERF陀螺性能。然而，关于SERF陀螺碱金属谱线受温度影响的研究还不是很全面，相关的工作国内外报道较少。此外，吸收谱线漂移问题在SERF陀螺工程化中也会对激光稳频和陀螺性能提升等方面造成阻碍。本文主要研究了SERF陀螺原子气室温度变化对碱金属87Rb的D1线和D2线谱线位置的影响，结果表明，原子气室温度变化引起的频率移动系数分别为30.4MHz/K 和⁃45.4MHz/K，并对其影响陀螺零偏稳定性等参数进行理论分析。

1 理论分析

SERF陀螺在工作时主要使用激光对原子气室中气态碱金属原子进行激发，并对其电子自旋状态进行检测得到陀螺输出信号。因此，对激光频率、功率等参数的控制和稳定是实现并优化陀螺相关性能指标至关重要的因素。而精确稳定控制激发激光频率处于碱金属D1线和D2线谱线位置，可以有效地提高SERF陀螺的零偏稳定性等参数。SERF陀螺在工作时需要对原子气室进行加热，使碱金属汽化。在此过程中，原子的吸收谱线位置会受加热温度的影响而发生移动。文献报道的研究工作中指出，原子吸收谱线的变化会影响电子自旋极化率，进而影响SERF陀螺的信号输出，并导致陀螺的零偏漂移［5⁃9］。而吸收谱线的漂移也会对工程化实现激光稳频技术带来一定的困难。

激光稳频是通过外置原子气室将泵浦激光的频率锁定在固定位置，而锁定的方法是通过负反馈的方式将频率固定在吸收峰的谷底处，即中心谱线位置。当温度变化引起谱线的中心位置发生移动时，激光的频率锁定位置也会发生相应变化，导致电子自旋极化率的变化，从而影响SERF陀螺的工作状态。研究原子温度对吸收谱线移动的影响，可以在激光频率闭环控制时加入温度引起的谱线偏移量，保证原子气室温度波动时激光频率不随着谱线移动而变化。一些文献研究了基于高气压下（＞1Pa）碱金属谱线受温度影响的情况［5⁃11］。本文中，SERF陀螺使用的原子气室内部气压在1Pa左右，而针对低气压（≤1Pa）情况下温度对碱金属谱线移动的研究工作仍然较少。因此，研究1Pa左右温度对碱金属谱线移动的影响对于提高SERF陀螺性能是非常有必要的。

本文选用铷（Rubidium，87Rb）作为SERF陀螺原子气室中的碱金属材料。87Rb原子的能级结构如图1所示，主要跃迁能级为D1线（795nm）和D2线（780nm）。通常状况下，原子受多方面因素影响使其能级存在超精细结构而导致吸收谱线的展宽，其主要因素有原子的自然跃迁导致能级展宽、原子碰撞导致的压力展宽以及原子热运动导致的Doppler展宽。

图1 87Rb原子能级跃迁 D1线和D2线Fig.1 Hyperfine energy structure D1and D2absorption line of87Rb

自然展宽通常是10MHz量级，远小于其它两种机制导致的能级展宽，在本文中可以忽略不做讨论。压力展宽产生的原因是碱金属原子和缓冲气体原子的碰撞导致能级展宽，在1Pa时接近10GHz。Doppler展宽是由于原子热运动导致能级展宽，在380K的气室工作温度处大约在5GHz左右。压力展宽和Doppler展宽都会受到原子气室温度的影响。

碱金属吸收光谱是在加热的原子气室后方，观测激光被原子气室中碱金属吸收后的光强得到的。其激光光强可表述为

式（1）中，I0为光强，N［Rb］为87Rb 的密度，σ（v）为吸收谱线的截面，L为气室长度。吸收截面表达式为

式（2）中，re和f分别为电子电磁半径和光透射系数，对于 D1线 f为 1/3，对于 D2线 f为 2/3；L（ν-ν0）为谱线形状，有

式（3）中，Γ为线宽，ν0为谱线中心，二者都依赖于气体压强，并且会受到图1中跃迁能级的子能级影响［8⁃9］。

文献报道中显示，当气室内部压强远大于1Pa时，谱线线宽主要取决于压力展宽，谱线也会随着气压增强线性移动［9］。当气室内压强接近1Pa时，Doppler展宽对谱线的影响也占有一定比例。压力展宽和Doppler展宽两种机制存在竞争关系，谱线移动的系数也会与气室压强大于1Pa时不同。

2 实验结果及分析

2.1 实验装置

吸收峰测量的实验装置如图2所示。一束由半导体DBR激光器发出的线偏振光通过准直透镜后穿过原子气室，原子气室通过无磁加热片加热，并放置在磁屏蔽系统内以屏蔽隔绝地球磁场干扰；光电探测器放置于磁屏蔽桶后，用于接收穿过气室的激光强度信号；激光器由一台信号发生器驱动，进行激光器输入电流的线性扫描；一台示波器用于光电探测器探测到的激光强度信号采集处理并分析。实验中使用原子气室为8mm边长的正方体石英玻璃材料，内壁厚度1mm，气室中充有700Torr的N2和碱金属87Rb。由于加热系统的加热功率限制，实验中原子气室温度选取350K、356K、362K、368K、374K和380K共6个温度点。

图2 吸收峰测量实验装置Fig.2 Schematic diagram of absorption spectrum measurement setup

2.2 结果讨论

由于本实验所使用半导体DBR激光器的特性，其输出激光功率和频率与输入电流呈线性关系。因此，通过对激光器输入电流进行线性扫描即可实现对输出激光在微小范围内进行频率扫描，从而实现对碱金属吸收谱线精细结构的测量。通过线性扫描激光频率获得的碱金属87Rb典型吸收谱线如图3所示。由于激光器的输出功率和输入电流也呈线性关系，因此激发气室的激光功率和频率都随驱动电流成周期性线性变化规律，并可用示波器采集，如图3中蓝色虚线所示。气室中碱金属的吸收光谱可由穿过气室后激光光强的消光强度获得。

图3 87Rb原子吸收谱D1线及其拟合曲线Fig.3 D1line absorption spectrum of 87Rb and its fitting curve

碱金属原子吸收截面σ（v）与吸收谱线相关［4］，其不同频率下消光强度和谱线频率关系可由如下公式拟合给出［10⁃11］

其中，式（4）的表达式有5个拟合参数，分别为谱线宽度Γ、中心位置 ν0及常系数a、b、c。式（4）中，第一项是吸收谱，后面两项是线性项和常数项，S（v）为消光强度。由于超精细能级劈裂对于谱线线宽的影响远小于压力展宽的影响，因而可以忽略。温度对谱线位置移动的影响可从不同温度条件下的谱线形状拟合得到。

通过测量87Rb的D1线与D2线吸收谱线，计算得到谱线位置随温度变化关系如图4所示。从图4可以看出，随着温度的增加，D1线和D2线随温度的升高有着相反的移动趋势。对于D1线，谱线中心随温度增加呈近似线性增加的趋势；而D2线随温度升高，谱线中心位置近似线性下降。拟合后，D1线和D2线温度相关谱线移动系数分别为30.4MHz/K 和-45.4MHz/K。

图4 D1线和D2线谱线移动随温度变化关系Fig.4 Relationship between temperature variation and D1，D2lines

材料进行光激发时，激光的中心波长和谱线中心重合时激发量子效率最高。而通过研究结果可以看出，SERF陀螺气室碱金属在工作过程中，其谱线中心位置会受温度的影响而发生移动，这给泵浦激光的频率闭环控制技术带来了一定的难度。

原子气室温度的漂移会直接导致SERF陀螺的输出漂移，其中一个重要的因素就是气室温度改变时碱金属原子的吸收峰谱线的位置随之改变，进而影响原子自旋极化的泵浦效率以及探测激光的自旋探测结果。

SERF陀螺中线偏振的探测光通过原子气室后，激光强度信号为［12］

3 结论

本文主要研究了填充1Pa的 N2时，温度对Rb原子D1线和D2线谱线漂移的影响。通过对不同温度下Rb原子吸收谱线进行测试和拟合计算，研究了不同温度下谱线中心的移动情况。发现了碱金属气室温度在变化过程中，D1线和D2线谱线有着不同的移动趋势。并结合这一结果，讨论了温度波动对泵浦激光极化效率和探测激光偏振光旋角的影响，并最终对陀螺输出结果造成影响。这一结果对于原子钟、原子磁强计和原子陀螺等利用碱金属工作的原子类仪表性能优化都具有参考意义。