gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.2018.26.1.093-106gyroscopy-273Research ArticleСтатьиХарактер сигнала оптической схемы квантового датчика вращения на основе ядерного магнитного резонансаBehavior of Signal from Optical Circuit of Quantum Rotation Sensor Based on Nuclear Magnetic Resonance.ПоповЕ. Н.PopovE. N.

Попов Евгений Николаевич. Кандидат физико-математических наук, доцент

БаранцевК. А.BarantsevK. A.

Баранцев Константин Анатольевич. Ассистент

УшаковН. А.UshakovN. A.

Ушаков Николай Александрович. Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

ЛитвиновА. Н.LitvinovA. N.

Литвинов Андрей Николаевич. Кандидат физико-математических наук, доцент

ЛиокумовичЛ. Б.LiokumovichL. B.

Лиокумович Леонид Борисович. Доктор физико-математических наук, профессор

ШевченкоА. Н.ShevchenkoA. N.

Шевченко Александр Николаевич. Заместитель начальника лаборатории

СкляровФ. В.SklyarovF. V.

Скляров Филипп Владимирович. Инженер

МедведевА. В.MedvedevA. V.

Медведев Андрей Викторович, Кандидат физико-математических наук, доцент

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияSt. Petersburg Polytechnical University n.a. Peter the GreatRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург)РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC, St. PetersburgRussian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC, St. PetersburgRussian Federation20181811202526193106Copyright © Попов Е.Н., Баранцев К.А., Ушаков Н.А., Литвинов А.Н., Лиокумович Л.Б., Шевченко А.Н., Скляров Ф.В., Медведев А.В., 20252025Попов Е.Н., Баранцев К.А., Ушаков Н.А., Литвинов А.Н., Лиокумович Л.Б., Шевченко А.Н., Скляров Ф.В., Медведев А.В.Popov E.N., Barantsev K.A., Ushakov N.A., Litvinov A.N., Liokumovich L.B., Shevchenko A.N., Sklyarov F.V., Medvedev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/273

В работе рассмотрен общий принцип работы квантового датчика вращения на основе ядерного магнитного резонанса, приведено полуклассическое описание процессов в схеме датчика, позволяющее получить аналитическое представление сигнала на выходе оптической схемы. Кратко изложены принципы численного расчета оптического сигнала датчика вращения на основе одномерной квантовой модели. Сравнения расчетов по классической и более строгой квантовой моделям показало, что сигнал датчика имеет несколько более сложную структуру, чем это следует из классического описания, отражающего только часть свойств динамических процессов в схеме. Результаты важны для развития методов демодуляции оптического сигнала квантового датчика вращения и оценки ожидаемых характеристик практических устройств.

The paper considers a common operation principle of a quantum rotation sensor based on nuclear magnetic resonance, giving a semiclassical description of processes in the sensor circuit, that enables the analytical representation to be obtained for a signal at the optical circuit output. The principles of numerical calculation are briefly presented for an optical signal of the rotation sensor based on a one-dimensional quantum model. The comparison of calculations according to classical model and more strict quantum model has shown that the sensor signal has a more complicated structure than that following from the classical description which shows only some

properties of dynamic processes in the circuit. The results are important for development of methods of demodulating the quantum rotation sensor optical signal and for estimation of expected characteristics of practical devices.

Ядерный магнитный резонансэлектронный парамагнитный резонансполигармонический сигналдатчик вращения.Nuclear magnetic resonanceelectronic paramagnetic resonancepolyharmonic signalrotation sensor.ReferencesLarsen, M., Bulatowicz, M., Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope: For DARPA's microtechnology for positioning, navigation and timing program, IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings, 2012. DOI: 10.1109/FCS.2012.6243606.Larsen, M., and Bulatowicz, M., Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope: For DARPA's microtechnology for positioning, navigation and timing program, IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings, 2012.Woodman, O.J., An introduction to inertial navigation: Technical Report no. 696, University of Cambridge Computer Laboratory, 2007. URL: https://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CLTR-696.pdf.Woodman, O.J., An introduction to inertial navigation: Technical Report no. 696, University of Cambridge Computer Laboratory, 2007.Jekeli, C., Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications, Walter de Gruyter, 2001.Jekeli, C., Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications, Walter de Gruyter, 2001.Fang, J. and Qin J., Advances in Atomic Gyroscopes: A View from Inertial Navigation Applications, Sensors (Basel), 2012, no. 12 (5), pp. 6331–6346. DOI: 10.3390/s120506331.Fang, J. and Qin J., Advances in Atomic Gyroscopes: A View from Inertial Navigation Applications, Sensors (Basel), 2012, no. 12 (5), pp. 6331–6346.Lefèvre, H.C., The fiber-optic gyroscope: Challenges to become the ultimate rotation-sensing technology, Optical Fiber Technology, 2013, vol. 19, issue 6, part B, pp. 828–832. DOI:10.1016/j.yofte.2013.08.007.Lefèvre, H.C., The fiber-optic gyroscope: Challenges to become the ultimate rotation-sensing technology, Optical Fiber Technology, 2013, vol. 19, issue 6, part B, pp. 828–832.Rabi, I.I., Zacharias, J.R., Millman, S., Kusch, P., A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment, Physical Review, 1938, vol. 53, no. 4, pp. 318–327.Rabi, I.I., Zacharias, J.R., Millman, S., and Kusch, P., A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment, Physical Review, 1938, vol. 53, no. 4, pp. 318–327.Померанцев Н.М. Явление спиновых эхо и его применение // УФН. 1958. № 1. С. 87–110.Pomerantsev, N.M., Yavlenie spinovykh ekho i ego primenenie (Spin Echo Phenomenon and Its Applications), UFN, 1958, no. 1, pp. 87–110.Waters, G.S. and Francis, P.D., A nuclear magnetometer, Journal of Scientific Instruments, 1958, vol. 35, no. 3, pp. 88–93.Waters, G.S., and Francis, P.D., A nuclear magnetometer, Journal of Scientific Instruments, 1958, vol. 35, no. 3, pp. 88–93.Габуда С.П., Плетнев Р.Н., Федотов М.А. Ядерный магнитный резонанс в неорганической химии. М: Наука, 1988. 214 с.Gabuda, S.P., Pletnev, R.N., and Fedotov, M.A., Yadernyi magnitnyi rezonans v neorganicheskoi khimii (Nuclear Magnetic Resonance in Inorganic Chemistry), Moscow, Nauka, 1988.Lauterbur, P.C., Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance, Nature, 1973, vol. 242, pp. 190–191. DOI: 10.1038/242190a0.Lauterbur, P.C., Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance, Nature, 1973, vol. 242, pp. 190–191.Малеев П.И. Новые типы гироскопов. Л.,1971.Maleev, P.I., Novye tipy giriskopov (New Types of Gyroscopes), Leningrad, 1971.Simpson, J.H., Fraser, J.T., and Greenwood, I.A., An Optically Pumped Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope, IEEE Trans. Aerosp. Support, 1963, vol. 1, pp. 1107–1110.Simpson, J.H., Fraser, J.T., and Greenwood, I.A., An Optically Pumped Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope, IEEE Trans. Aerosp. Support, 1963, vol. 1, pp. 1107–1110.Fang, J.C. and Qin, J., Advances in Atomic Gyroscopes: A View from Inertial Navigation Applications, Sensors, 2012, vol. 12, pp. 6331–6346.Fang, J.C. and Qin, J., Advances in Atomic Gyroscopes: A View from Inertial Navigation Applications, Sensors, 2012, vol. 12, pp. 6331–6346.Donley, E.A., Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes, IEEE SENSORS 2010 Conference, 2010, pp. 17–22.Donley, E.A., Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes, IEEE SENSORS 2010 Conference, 2010, pp. 17–22.Литманович Ю.А., Вершовский А.К., Пешехонов В.Г. Гироскоп на основе явления ядерного магнитного резонанса: прошлое, настоящее, будущее // Материалы пленарного заседания 7-й Российской мультиконференции по проблемам управления: СПб, 2014. С. 35–42.Litmanovich, Yu.A., Vershovskii, A.K., and Peshekhonov, V.G., Nuclear Magnetic Resonance Gyro: Past, Present, Future, 7-ya Rossiiskaya multikonferentsiya po problemam upravleniya, materialy plenarnogo zasedaniya (7th Russian Conference on Control problems, Proceedings of the Plenary Session), St. Petersburg, 2014, pp. 35–42.Мейер Д., Ларсен М. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе для инерциальной навигации // Гироскопия и навигация. 2014. № 1 (84). С. 3–13.Meyer, D., and Larsen, M., Nuclear Magnetic Resonance Gyro for Inertial Navigation, Gyroscopy and Navigation, vol. 5, no. 2, pp.75–82.Walker, T.G., Larsen, M.S., Spin-Exchange-Pumped NMR Gyros, Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2016, vol. 65, pp. 373–401.Walker, T.G., and Larsen, M.S., Spin-Exchange-Pumped NMR Gyros, Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2016, vol. 65, pp. 373–401.Kuraptsev, A.S. and Sokolov, I.M., Spontaneous decay of an atom excited in a dense and disordered atomic ensemble: Quantum microscopic approach, Phys. Rev. A, 2014, vol. 90, issue 1.Kuraptsev, A.S. and Sokolov, I.M., Spontaneous Decay of an Atom Excited in a Dense and Disordered Atomic Ensemble: Quantum Microscopic Approach, Phys. Rev. A, 2014, vol. 90, issue 1.Соколов И.М. Влияние сверхтонкой структуры атомных состояний на коллективные эффекты в квазимолекуле Rb2 // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. Вып. 4 (10). С. 650–665.Sokolov, I.M., Influence of Hyperfine structure of the Atomic States on the Collective Effects in the Rb2 Quasi-molecule, Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2017, vol. 125, no. 4, pp. 551–563.Блум К. Теория матрицы плотности и ее приложения. М.: Мир, 1983. 248 с.Blum, К. Density Matrix Theory and Applications, Springer Series on Atomic, Optical and Plasma Physics, 2012.Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.: Изд. иностр. литературы, 1963.Abraham, A., Yadernyi Magnetizm (Nuclear Magnetism), Moscow, Izdatelstvo inostrannoi literatury, 1963.Popov, E.N., Barantsev, K.A., Litvinov, A.N., Control of the Nuclear Spin of the 129Xe andPopov, E.N., Barantsev, K.A., and Litvinov, A.N., Control of the Nuclear Spin of the 129Xe and 131Xe Isotopes in the Spin-Exchange Interaction with 87Rb Atoms, Physics of Wave Phenomena, 2016, vol. 24, no. 3, pp. 203–213.Xe Isotopes in the Spin-Exchange Interaction with 87Rb Atoms, Physics of Wave Phenomena, 2016, vol. 24, no. 3, pp. 203–213.Dong, H., Fang, J., Qin, J., and Chen, Y., Analysis of the Electrons-Nuclei Coupled Atomic Gyroscope, Optics Communications, 2011, vol. 284, no. 12, pp. 2886–2889.Dong, H., Fang, J., Qin, J., Chen, Y., Analysis of the electrons-nuclei coupled atomic gyroscope, Optics Communications, 2011, vol. 284, issue 12, pp. 2886–2889.Fang, J., Wan, S., and Yuan, H., Dynamics of an All-Optical Atomic Spin Gyroscope, Applied Optics, 2013, vol. 52 (30), pp. 7220–7227.Fang, J., Wan, S., Yuan, H., Dynamics of an all-optical atomic spin gyroscope, Applied Optics, 2013, vol. 52 (30), pp. 7220–7227. DOI: 10.1364/AO.52.007220Fang, J., Wan, S., Yuan, H., Dynamics of an all-optical atomic spin gyroscope, Applied Optics, 2013, vol. 52 (30), pp. 7220–7227. DOI: 10.1364/AO.52.007220

The authors declare that there are no conflicts of interest present.