冷原子干涉重力仪测量性能评估与提升方法研究

发布时间：2020-07-13 04:00

【摘要】：冷原子干涉仪在精密测量上具有许多内禀的优越性和良好的技术潜力,可以大幅提高现有陀螺仪、重力仪和重力梯度仪的测量灵敏度和精度,广泛应用于地球重力场绘制、重力匹配导航和惯性导航、工业生产、资源勘探、地震预报、基础科学及地球物理学等众多领域。虽然目前基于拉曼脉冲的冷原子干涉仪的测量灵敏度已经超越了其他同类经典器件,但还远低于其理论极限,并且从实验室走向实际应用还需进一步小型化和集成化设计。因此,如何进一步提高现有原子干涉仪的测量性能并同时缩小系统的体积成为当前原子干涉重力仪研究领域的一个重要课题。本论文围绕如何评估并进一步提高现有原子干涉重力仪的测量性能这一目标,对冷原子干涉重力仪进行了完整的理论分析和实验研究:建立了经典Mach-Zehnder型冷原子干涉重力仪的测量模型;优化了冷原子喷泉的温度至2μK、原子数至10~9个;实现了高精度冷原子干涉绝对重力测量实验,100s内获得的重力测量分辨率为5.1μGal(1μGal=10~(-9)g=10~(-8)m/s~2);评估了探测噪声、拉曼光相位噪声、反射镜振动噪声对该重力仪重力测量分辨率的限制分别为0.75μGal、0.24μGal和1.96μGal;用短脉冲拉曼谱法测量了干涉腔内的磁场分布,评估了磁场分布不均匀引起的重力测量误差为2.04μGal;研究了拉曼激光强度调制、n阶布拉格衍射、拉曼边带冷却结合绝热快速通道等多种提升原子干涉重力仪测量性能的技术方案。本论文的主要创新性工作总结如下:1、提出了一种基于短脉冲、大扫频步进拉曼谱的真空腔内磁场强度测量方法。目前基于长脉冲、小扫频步进拉曼谱的磁场测量方法测量时间长、测量过程需要人工参与,本文通过研究拉曼脉冲长度及扫频步进对磁场测量不确定度的影响,提出用1ms的短脉冲、400Hz的大扫频步进的实验参数进行磁场测量,从而将75cm长干涉腔内磁场的测量时间从125小时缩短到14小时,并且可以实现自动化测量。实验获得的磁场测量不确定度为0.72nT、2000s的Allan方差为0.4nT、空间分辨率优于12mm,评估出干涉区磁场分布不均匀引起的重力测量误差为2.04μGal。2、提出了一种消除AC Stark频移引起的磁场测量误差的方法。目前普遍认为光频移对基于拉曼谱的磁场测量结果没有影响,本文通过分析基于拉曼谱的磁场测量原理和光频移的产生机理,发现矢量和张量光频移会引起磁场测量误差并在实验上验证了该结论:当拉曼π脉冲的持续时间为1ms时,矢量光频移产生的“虚假”磁场强度为26.8nT,张量光频移产生的磁场偏差为2.2nT,提出通过求左旋和右旋圆偏振拉曼光下测得磁场平均值的方法来消除矢量光频移的影响,通过求m_F(28)(10)1和_Fm(28)-1两个磁敏感态下测得磁场之差的方法来提取张量光频移的影响。3、提出了一种基于激光强度调制的干涉条纹对比度提升方案。由于拉曼光的强度在空间成高斯分布,随着干涉过程中原子团体积的膨胀,大量原子将偏离拉曼光中心从而感受到较小的激光密度,持续时间为2τ的拉曼光的脉冲面积将不再是π,π脉冲保真度的降低会导致干涉条纹对比度的降低。本文理论分析了激光强度调制法提升干涉条纹对比度的原理,即根据膨胀后原子团的体积来调节拉曼光的强度,使之前所设置的π脉冲持续时间?_0对应最大的π脉冲保真度,建模仿真结果表明采用该方案可将干涉条纹对比度提升10%以上,最后设计了一种简单可行的实验方案,只需要两步即可实现。4、提出了一种基于拉曼边带冷却结合绝热快速通道的高效原子态制备方案。传统基于拉曼跃迁结合微波跃迁的原子速度选择和态制备方案的效率仅为2%左右,原子利用率极低。本文提出在磁光阱冷却之后先使用拉曼边带冷却技术将原子团温度冷却至500nK左右,接着使用绝热快速通道技术将原子绝热地传输到磁不敏感的F(28)1,m_F(28)0态的高效态制备方案,分析了拉曼边带冷却及绝热快速通道技术所需的实验条件并设计了具体的实验方案。研究表明:利用该方案可获得优于40%的态制备效率,可将传统方案的态制备效率提高20-30倍,并且良好的鲁棒性还可降低原子数涨落,提高实验稳定性。5、建立了一种基于n阶布拉格衍射的大动量分束型原子干涉重力仪模型。在研究n阶布拉格衍射基本原理的基础上,建模分析了时间型大动量分束n阶布拉格衍射原子干涉重力仪的关键实验条件,利用该方案可将原子分束动量和重力测量灵敏度提高n倍以上,还可有效减小共模误差并降低环境干扰的影响。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH761.5

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