基于光纤激光器的冷原子重力仪小型化光学系统设计

发布时间：2020-08-07 00:27

【摘要】：原子干涉型绝对重力仪因具有很高的灵敏度和测量精度而日益得到重视。这种重力仪具有很多优点:测量时间短、精度高、性能稳定。这种重力仪虽然已经有较大突破,但由于体积大、装置复杂等原因,尚未实现移动测量和野外测量。目前主要还是在实验室环境下进行工作。研究原子重力仪的最终目标是做到可移动测量、能够完成野外测量任务,所以将激光系统小型化,同时进行环境适应性的检验,具有重要的价值。本文对基于光纤激光器的小型化光学系统的设计与制作进行了研究。实现的光路都集成到一个铝盒之中,体积减小为原来光路的1/3。现在一人即可实现光路的移动和组装,而以前的光路最起码需要4人才可实现移动。小型化完成后,基于野外测量需求,我们针对温度变化对光路的影响做了实验,发现温度会对光学系统中光纤耦合效率产生巨大影响。温度波动大时效率会变化10%,但是恒温下可保证其变化小于1%。我们为光学系统设计了保温盒,温度变化小于0.1℃。本文各章主要内容如下:第一章介绍了冷原子重力仪的历史背景、发展历程以及潜在的应用,描述了近几年国内外冷原子重力仪的发展趋势和应用前景,论述了进行冷原子重力仪小型化光学系统设计的重要性,并简要地描述了本文的工作重点。第二章描述了NKT Photonics窄线宽光纤激光器的优点,讨论了可以优化我们系统的各个方面。详述了光纤激光器的各种性能,讨论了所用光纤激光器的必要性。第三章详细介绍了我们所设计的激光系统,详细介绍了小型化光路的光路方案以及光强分配方案。在此基础上对我们所搭建的光路系统进行了介绍,并且详述了该激光方案和光路方案的优点。并详细介绍了以步进电机为基础的机械快门挡光系统的各个组成部分,详述了机械快门挡光系统的挡光性能。第四章主要研究了小型化激光系统的温变特性。首先研究了温度对光纤激光器的输出光功率和输出光波长的影响,实验发现两个参数并不会随着温度的变化而变化,光纤激光器内部温控系统能够应对环境温度的变化。然后研究了温度对光路系统的影响,实验表明温度改变会影响光纤耦合效率。第五章基于多种保温材料为激光系统和光路系统设计了保温盒并进行相关物理实验,并研究了保温盒的保温特性。第六章对本文主要结果进行总结和对未来的研究进行展望。。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;P223
【图文】：

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1.1 重力测量概述重力加速度 g 是描述地球重力场的关键参数之一，其实时实地的精确测量具有重要科学意义。绝对重力测量依赖于高精度的绝对重力仪。原子干涉绝对重力仪因具有较高的灵敏度和测量精度而日益得到重视。为了开展高精度重力测量[1-3]和相关引力实验研究，我们进行了冷原子干涉重力测量的原理性实验研究。原子重力仪采用自由落体运动的冷原子作为检验质量，用相位相干的 Raman 光对其进行操控实现原子干涉[4]。干涉相位包含重力加速度 g 和 Raman 光位相等信息，通过用激光相位补偿重力加速度引起的相移，可以测量出重力加速度的绝对值。如图 1-1 所示在磁光阱中捕获足够的冷原子后，令其在重力场中自由下落，在下落过程中利用三个拉曼光束脉冲“π/2，π，π/2 与冷原子包进行相互作用，实现分束、偏转与合束，在这两个路径过程中原子外态的转变总是伴随着内态的转变，最后两束相干的物质波汇聚在一块实现了干涉的过程。

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计量研究院、武汉物数所和中科大这么几家单位。浙江工业研究中心是最早从事冷原子重力仪研制的研究所之一，2013原子重力仪的原理样机。2017 年更是研制出了多达五台的冷其中四台已经可以仅仅通过三人进行冷原子重力仪的拆卸、搬工作，可以说浙江工业大学光学与光电子研究中心所研制的冷化可移动重力仪的研制上处于国内各个单位的领先地位。下图光学与光电子研究中心所研发的冷原子重力仪的实物图，在尺上拥有明显的优势，并且所测量的精准度也处于领先水平。下统总共分为三个部分，图片左半边为激光系统和电路控制系统光系统是放置在电路控制系统上方的，右半边为一个高度为真空探头系统。左半边的激光系统和控制系统通过总线与右进行连接，整套系统可以在 45 分钟内被安装完成，预热时间后便可以开始接下去的测量工作。

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促进社会发展的方向，所以国内各家研究所都在努力的进行冷原子重力化设计，将其往紧凑性、重量轻、稳定性好[10、11]等方向研究。国外现状前在国外美国的 Aosense 公司和法国的 uQuans 公司在小型化可移动冷的研制上处于领先水平，其中法国的 uQuans 公司可以实现两人的搬运卸组装和调试工作，无论在尺寸还是在重量上都实现了小型化和可移动完全可以进行实际应用。如下图 1-3 所示为法国 uQuans 公司生产的第化可移动冷原子重力仪 AQG-A01[12]，AQG-A01 总共分为三个部分，图为激光系统和电路控制系统，在实际测量时激光系统是放置在电路控制的，右半边为一个高度为 70cm 重量为 30kg 的真空探头系统。左半边统和控制系统通过后方黑色的 5m 长总线与右边的真空探头系统进行套系统可以在 20 分钟内被安装完成，预热时间小于一个小时，随后便接下去的测量工作。

【参考文献】