原子干涉技术在惯性领域中的应用
发布时间：2021-08-24 18:04
惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。
【文章来源】：导航与控制. 2020,19(Z1)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
参加2017年国际重力比对的国内原子重力仪实物图(部分)
类似于光学的马赫-曾德(M-Z)干涉仪,原子的物质波干涉过程也需要涉及原子波包的分束和合束,一般通过激光控制原子实现用受激Raman跃迁来实现。在本文中,用三脉冲法简述原子干涉仪的基本原理,如图2所示。假设在竖直平面内,原子感受到的加速度为a、角速度为Ω,初始时刻原子团处于基态能级 |1,p? 上,在t=0时刻,作用一束π/2 Raman光脉冲使得原子“分束”并等概率地处于 |1,p? 和 |2,p+?k eff ? 态。其中,keff为Raman光的有效波矢,?为约化普朗克常量。此后原子团开始分束,经历T时间自由演化后,在原子上作用一束π Raman光脉冲使得原子“反射”,即处于 |1,p? 态的原子跃迁至 |2,p+?k eff ? ,而 |2,p+?k eff ? 态的原子跃迁至 |1,p? 态。此后不同路径的原子开始聚拢,在经过另一个T时间自由演化后,两路径的原子在空间上重合,此时作用π/2 Raman光脉冲使得原子实现合束干涉。原子在不同路径上由各种惯性量引起的相变都会被记录在原子的干涉条纹中,可以通过测量原子干涉后处于 |1,p? 、 |2,p+?k eff ? 态的布居比来得到原子因惯性力的作用而产生的相位差Φ
随着量子力学的发展,人们发现通过光子、原子、分子以及各种人工量子体系与物理环境的相互作用而形成的量子传感器能实现对各种物理量的高精度测量和标定[9]。而原子干涉仪是量子精密测量领域中极为重要的工具之一,它借助原子态的量子叠加性,能以极高的精度对加速度[10]、转动[11]、重力[12]、重力梯度[13-14]、磁场[15]、精细结构常数[16-20]、牛顿引力常数[21-22]等物理量实施精密测量,也可在弱等效原理检验[23-25]、搜寻量子引力波效应[26]、引力波探测[27-28]等方面发挥巨大作用。原子干涉技术飞速发展了数十年,逐渐成型了以原子干涉陀螺[29-31]、原子重力仪[32-33]、原子重力梯度仪[34]等为代表的原子惯性传感设备,因其具备的潜在高性能,原子干涉型惯性传感设备或将成为未来高精度惯性导航系统的首选。原子干涉型惯性传感设备的预期性能指标如图1所示。1 原理
【参考文献】：
期刊论文
[1]Portable atomic gravimeter operating in noisy urban environments[J]. 陈斌,龙金宝,谢宏泰,李琛阳,陈泺侃,姜伯楠,陈帅. Chinese Optics Letters. 2020(09)
[2]基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量[J]. 吴彬,周寅,程冰,朱栋,王凯楠,朱欣欣,陈佩军,翁堪兴,杨秋海,林佳宏,张凯军,王河林,林强. 物理学报. 2020(06)
[3]2017年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,陈少春,陈效真. 导航与控制. 2018(02)
[4]连续冷原子束干涉陀螺仪研究进展[J]. 王安琪,孟至欣,李营营,薛洪波,冯焱颖. 导航定位与授时. 2017(01)
[5]基于原子干涉技术的精密重力测量研究[J]. 陈乐乐,罗覃,邓小兵,谈玉杰,毛德凯,张恒,周敏康,段小春,邵成刚,胡忠坤. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(07)
[6]冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势[J]. 吴彬,王肖隆,王河林,王兆英,林强. 导航与控制. 2015 (02)
[7]世界重力梯度仪的研究现状[J]. 吴琼,滕云田,张兵,张涛. 物探与化探. 2013(05)
[8]惯性技术研究现状及发展趋势[J]. 王巍. 自动化学报. 2013(06)
[9]重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真[J]. 王虎彪,王勇,许大欣,柴华. 地球物理学进展. 2011(01)
[10]利用重力异常匹配技术实现潜艇导航[J]. 许大欣. 地球物理学报. 2005(04)
博士论文
[1]冷原子干涉精密重力测量系统关键技术研究[D]. 罗玉昆.国防科技大学 2017
硕士论文
[1]水下重力梯度导航关键技术研究[D]. 李德禹.华中科技大学 2009
本文编号：3360468
【文章来源】：导航与控制. 2020,19(Z1)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
参加2017年国际重力比对的国内原子重力仪实物图(部分)
类似于光学的马赫-曾德(M-Z)干涉仪,原子的物质波干涉过程也需要涉及原子波包的分束和合束,一般通过激光控制原子实现用受激Raman跃迁来实现。在本文中,用三脉冲法简述原子干涉仪的基本原理,如图2所示。假设在竖直平面内,原子感受到的加速度为a、角速度为Ω,初始时刻原子团处于基态能级 |1,p? 上,在t=0时刻,作用一束π/2 Raman光脉冲使得原子“分束”并等概率地处于 |1,p? 和 |2,p+?k eff ? 态。其中,keff为Raman光的有效波矢,?为约化普朗克常量。此后原子团开始分束,经历T时间自由演化后,在原子上作用一束π Raman光脉冲使得原子“反射”,即处于 |1,p? 态的原子跃迁至 |2,p+?k eff ? ,而 |2,p+?k eff ? 态的原子跃迁至 |1,p? 态。此后不同路径的原子开始聚拢,在经过另一个T时间自由演化后,两路径的原子在空间上重合,此时作用π/2 Raman光脉冲使得原子实现合束干涉。原子在不同路径上由各种惯性量引起的相变都会被记录在原子的干涉条纹中,可以通过测量原子干涉后处于 |1,p? 、 |2,p+?k eff ? 态的布居比来得到原子因惯性力的作用而产生的相位差Φ
随着量子力学的发展,人们发现通过光子、原子、分子以及各种人工量子体系与物理环境的相互作用而形成的量子传感器能实现对各种物理量的高精度测量和标定[9]。而原子干涉仪是量子精密测量领域中极为重要的工具之一,它借助原子态的量子叠加性,能以极高的精度对加速度[10]、转动[11]、重力[12]、重力梯度[13-14]、磁场[15]、精细结构常数[16-20]、牛顿引力常数[21-22]等物理量实施精密测量,也可在弱等效原理检验[23-25]、搜寻量子引力波效应[26]、引力波探测[27-28]等方面发挥巨大作用。原子干涉技术飞速发展了数十年,逐渐成型了以原子干涉陀螺[29-31]、原子重力仪[32-33]、原子重力梯度仪[34]等为代表的原子惯性传感设备,因其具备的潜在高性能,原子干涉型惯性传感设备或将成为未来高精度惯性导航系统的首选。原子干涉型惯性传感设备的预期性能指标如图1所示。1 原理
【参考文献】：
期刊论文
[1]Portable atomic gravimeter operating in noisy urban environments[J]. 陈斌,龙金宝,谢宏泰,李琛阳,陈泺侃,姜伯楠,陈帅. Chinese Optics Letters. 2020(09)
[2]基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量[J]. 吴彬,周寅,程冰,朱栋,王凯楠,朱欣欣,陈佩军,翁堪兴,杨秋海,林佳宏,张凯军,王河林,林强. 物理学报. 2020(06)
[3]2017年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,陈少春,陈效真. 导航与控制. 2018(02)
[4]连续冷原子束干涉陀螺仪研究进展[J]. 王安琪,孟至欣,李营营,薛洪波,冯焱颖. 导航定位与授时. 2017(01)
[5]基于原子干涉技术的精密重力测量研究[J]. 陈乐乐,罗覃,邓小兵,谈玉杰,毛德凯,张恒,周敏康,段小春,邵成刚,胡忠坤. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(07)
[6]冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势[J]. 吴彬,王肖隆,王河林,王兆英,林强. 导航与控制. 2015 (02)
[7]世界重力梯度仪的研究现状[J]. 吴琼,滕云田,张兵,张涛. 物探与化探. 2013(05)
[8]惯性技术研究现状及发展趋势[J]. 王巍. 自动化学报. 2013(06)
[9]重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真[J]. 王虎彪,王勇,许大欣,柴华. 地球物理学进展. 2011(01)
[10]利用重力异常匹配技术实现潜艇导航[J]. 许大欣. 地球物理学报. 2005(04)
博士论文
[1]冷原子干涉精密重力测量系统关键技术研究[D]. 罗玉昆.国防科技大学 2017
硕士论文
[1]水下重力梯度导航关键技术研究[D]. 李德禹.华中科技大学 2009
本文编号：3360468
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