Настоящая статья посвящена истории разработки в СССР и России гироскопа, основанного на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В статье приведены ранние упоминания об идее использования электронов и других элементарных частиц, а также атомов в качестве рабочего вещества в гироскопии. Кратко излагаются основные этапы развития принципов построения ЯМР-гироскопа. Обсуждаются работы по спиновым генераторам и стабилизаторам на изотопах ртути и на обменно-ориентированных ядрах благородных газов. Показана связь возникновения этих этапов с появлением новых областей (разделов) прикладной атомной физики: спектроскопии (электронный парамагнитный резонанс и ЯМР), оптической накачки, обменной ориентации.

Представлена базовая теория гироскопа на ядерном магнитном резонансе (ЯМР) со спин-обменной накачкой. Дан обзор физики спин-обменных столкновений и релаксации в той мере, в какой они влияют на точностные характеристики ЯМР. Представлены простая модель ЯМР-осциллятора и ее применение для анализа динамического отклика и шумовых свойств осциллятора. Рассматриваются основные систематические погрешности (дифференциальные поля, созданные щелочным металлом, квадрупольные сдвиги и дрейфы сдвига), ограничивающие стабильность смещения нуля, и обсуждаются методы их минимизации. Дается краткий обзор практического применения и характеристик ЯМР-гироскопа, изготовленного фирмой Northrop Grumman Corporation, и в заключение даны некоторые комментарии о перспективах на будущее.

Приведены оценки основных предельных метрологических параметров ЯМГ – гироскопа на ядерном магнитном резонансе на изотопах ксенона. Перечислены принципиальные факторы, ограничивающие чувствительность, такие как атомный проекционный шум и дробовый шум света, и выведены формулы, позволяющие оценить предельную чувствительность ЯМГ и исследовать ее зависимость от параметров чувствительного элемента. Рассмотрены основные причины дрейфов ЯМГ и возможные пути улучшения его метрологических характеристик.

Разработаны вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 895 нм с фиксированным направлением поляризации выходного излучения, обеспечивающие при рабочей температуре 60 °С выходную мощность более 1 мВт в одномодовом режиме с фактором подавления ортогональной поляризации около 20 дБ. На их основе разработан источник лазерного излучения для перспективного компактного гироскопа на эффекте ядерного магнитного резонанса, обеспечивающий точную подстройку длины волны на спектральную линию D1 изотопа Cs133 и формирование коллимированного выходного пучка.

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.