题目：基于129Xe-Cs的SERF原子自旋陀螺仪原理实验研究

陀螺仪是惯性导航与制导系统的核心仪表之一，战略武器装备的惯性导航与制导迫切需要超高精度的陀螺仪。随着量子调控技术的发展，原子陀螺仪成为可能并得以原理验证，已经成为下一代超高精度陀螺仪的发展方向。其中，原子自旋陀螺仪基于原子自旋的定轴性和进动性测量角运动，具有超高精度、结构简单、体积小等优点。实现超高精度原子自旋陀螺仪的核心技术包括：操控原子自旋处于无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free, SERF）态、核自旋-电子自旋的强耦合，以及高精度检测原子自旋的进动。本论文围绕上述原子自旋的操控技术开展了SERF原子自旋陀螺仪的原理实验研究，主要创新性研究工作如下： 针对研制SERF原子自旋陀螺仪实验研究装置，建立了SERF原子自旋陀螺仪的动力学模型，分析了其动力学特性，提出了双轴SERF原子自旋陀螺仪的设计思想；为降低实现SERF态所需温度和提高核自旋超极化效率，从而降低系统功耗和启动时间，提出了基于129Xe-Cs的SERF原子自旋陀螺仪；优化了动力学模型中影响Cs原子自旋SERF态的主要自旋弛豫参数、Cs原子自旋的驱动与检测激光参数等，并基于这些优化的系统参数实现了实验研究装置的研制。 针对操控原子自旋获得SERF态，研制了光抽运系统，设计了基于塞曼效应的二向色原子蒸汽的驱动激光频率稳定控制方法，实现了±2.5 MHz/h的稳频控制精度；研制了无磁加热系统，基于热气流实现了150 °C的无磁加热能力；研制了磁场屏蔽系统，在磁屏蔽桶屏蔽性能有限的情况下，设计了“三维磁场线圈+磁屏蔽桶”主被动结合的磁场屏蔽方案，提出了一种三维磁场线圈的原位主动磁补偿方法，在地磁环境下实现了剩余磁场总强度小于2 nT的磁场屏蔽性能。基于上述研制的系统，在110 °C的温度下获得了2.47 Hz的Cs原子自旋线宽，实现了Cs原子自旋的SERF态。 针对核自旋-电子自旋的耦合操控，提出了一种基于光抽运的主磁场与驱动激光的方位对准方法，获得了优于0.06°的对准精度，实现了主磁场为100 nT、驱动激光功率为1 W下的129Xe核自旋超极化。在此基础上，基于核自旋-电子自旋的耦合动力学，精细调节了补偿磁场的大小，实现了129Xe核自旋与Cs电子自旋的强耦合，使得129Xe核自旋具备了磁场自补偿能力。 针对原子自旋进动的检测，提出了同时具有高灵敏、标度因数稳定、系统简单的闭环法拉第调制检测方法。对单光束闭环法拉第调制检测方法进行了测试，实现了线偏振光的偏振面转角检测灵敏度为7.2×10-7 °/Hz1/2、稳定性为2×10-5 °/h。针对上述测试中难以隔离的误差，进一步提出了双光束闭环法拉第调制检测方法以差分抑制共模误差。在此基础上，结合实现的原子自旋SERF态，实现了基于Cs的SERF原子磁强计原理验证，获得了8 fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度。 最后，针对SERF原子自旋陀螺仪实验研究装置的综合测试，提出了一种基于导航级光纤陀螺仪提供角速率测量基准的测试方法，研制了相应的测试系统。通过对该装置进行360的逆时针/顺时针旋转测试，验证了该装置的角速率测量能力，实现了基于129Xe-Cs的SERF原子自旋陀螺仪原理验证；通过对该装置进行小幅摆动测试，获得了角速率测量的灵敏度为7×10-5 °/s/Hz1/2、偏置稳定性为147.9 °/h。针对该装置在测试过程中出现的标度因数难以稳定等问题，进一步提出了闭环SERF原子自旋陀螺仪的设计思想。