冷原子干涉精密重力测量系统关键技术研究

发布时间：2020-07-29 15:10

【摘要】：高精度重力测量是现代导航、地球观测、资源开采和基础物理等领域的重要工具,基于冷原子干涉的精密重力测量技术以其突出的发展速度,表现出了广阔的应用前景。本论文以冷原子干涉技术在惯性测量中的应用为主要背景,研究了原子干涉精密重力测量领域的理论和关键技术问题,包括对原子干涉重力测量系统的总体设计和研制,关键子系统的优化和改进,系统性能的完整测试,测量噪声和误差的建模分析、实验评估与补偿方法讨论,以及增强原子干涉对比度的新方法探索性研究。论文的主要工作总结如下:1、设计并研制了课题组首套冷原子干涉重力测量系统。分析了基于拉曼脉冲型Mach Zehnder冷原子干涉仪的惯性测量原理,优化设计了重力仪真空、磁场、光学和电子学系统,实现了整套装置的集成。提出了一种基于声光调制转移谱的高自由度激光器稳频方法,克服了常规电光调制方法中RLC谐振电路和高阶边带的影响,可获得更大的调制深度和调制频率选择范围,并提供更高的光学隔离度。对鉴频信号斜率随不同参数的变化过程进行了理论分析,通过实验测试实现了调制参数(频率、深度和相位)的优化,将激光器线宽压低到63kHz,频率相对稳定性达到1×10~(-1) ~2@30s,并在AOM带宽内实现了锁定状态下的激光频率调节。提出了一种易于稳定集成的原子干涉整体光路结构和频率控制方式,通过上位机通讯对参考信号源进行编程,借助于高带宽和低相噪的激光锁相板,实现干涉过程中激光频率的时序控制,减少了实验中AOM的移频操作,避免了AOM衍射角度变化带来的光路偏差,解决了移频范围受带宽限制的问题,同时简化了光路结构和配套的驱动电路。2、开展了冷原子干涉重力测量实验研究。基于所集成的系统,完成了冷原子团制备与优化,最终装载率为4×10~8 s,原子数为3.4×10~8,温度达到5.2μK;利用反向拉曼π脉冲实现速度选择和磁不敏感初态制备,将纵向温度压缩至507nK;设计并实现了单光斑分时双态荧光探测系统,完成了原子末态跃迁概率的快速测量,信噪比达到32dB;获得了拉比振荡曲线和同/反向干涉条纹,自由演化时间达到90ms,反向条纹对比度为17%;进行了重力信号提取实验,得到了本地绝对重力加速度数值为(7)9.805740±0.000003(8)m s~2,测量分辨率达到6.5μGal@1000s,测量灵敏度为121μGal/Hz~(1/2)。3、进行了重力测量系统噪声评估与系统误差分析。研究了干涉过程中的主要噪声源及其影响方式,评估了其对重力测量结果的贡献,讨论了提高灵敏度的可行措施。综合考虑双光子频移、AC-Stark频移、二阶塞曼频移、拉曼光倾斜、拉曼光波前分布和科里奥利力等主要误差源对干涉相移测量结果的影响机理,并将其与拉曼光波矢方向、拉比频率、自由演化时间、磁场分布、原子团温度和密度分布等实验参数相结合,建立了多因素耦合下的原子干涉重力测量误差传递模型。通过设计合理的实验参数组合,实现了不同误差因素的解耦,并对部分误差项进行了初步的定量分析和评估。4、提出了一种基于最优估计的拉曼光波前相移评估方法。结合干涉实验中的原子团扩散与激光传播过程,利用Zernike多项式将拉曼光波前进行分解,建立了波前相移随原子团位置和速度分布、自由演化时间及各阶Zernike多项式系数变化的数学模型。通过对原子团温度和尺寸等实验参数的精确设定,测量得到不同参数组合下的干涉相移,组成以各阶Zernike多项式系数为未知量的超定线性方程组,利用最优估计方法实现对拉曼光有效波前和相应波前相移的求解。数值仿真结果显示,波前估计精度与参数组合数量和实验噪声水平有关,在10~6个原子对应的量子极限噪声下,通过20组参数组合和100次重复测量,Zernike多项式系数的估计不确定度为6%,预期波前相移的评估不确定度可达0.2mrad。5、探索性研究了基于复合脉冲序列和脉冲形状调制的干涉条纹对比度提升方法。从解决原子团温度与干涉条纹对比度矛盾的角度出发,分析了原子团温度对干涉条纹对比度的影响机理,探讨了复合脉冲序列和脉冲形状调制两种技术下的脉冲构建原则。其中,复合脉冲序列通过级联多个拉曼脉冲构成合理的相位循环来补偿单一脉冲中的失谐误差,而脉冲形状调制则通过设计脉冲时域波形来构建预期的失谐响应曲线。利用数值仿真手段对比了不同序列和脉冲形状对单一矩形脉冲的改进效果,并从条纹对比度和相移角度讨论了它们在整个干涉序列中的总体作用。结果显示,通过合理的干涉序列选择,能够大大提升高温原子团的干涉条纹对比度,增加干涉仪对原子团温度的容忍能力,同时提高原子通量,降低噪声极限。
【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】：O562;TH761.5

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