冷原子束干涉仪信号检测技术研究

发布时间：2017-06-05 10:17

  本文关键词：冷原子束干涉仪信号检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着原子光学技术的迅速发展，原子干涉仪逐渐成为精密测量领域的研究热点，因其具有灵敏度高、绝对测量、长期稳定性好等内在优势，在惯性导航和基础物理学研究等领域具有广泛的应用前景。原子光源是构成原子干涉仪的基本要素之一，其性能的优劣直接决定原子干涉条纹的对比度和信噪比，从而直接影响测量精度。对原子光源性能进行测试表征，优化实现高性能原子光源用于干涉，同时降低原子能态测量的噪声，是实现高精度原子干涉测量的基础。 本文研究冷原子束干涉仪的信号探测技术，实现冷原子束速度分布和通量等性能的测试表征与低噪声能态信号检测。整个检测系统主要包括三大部分：光学系统、检测装置和软件系统。在光学系统部分，为了得到高稳定度的激光光源，我们设计了专门的激光器控制系统，该控制系统由电流驱动和温度控制两部分组成，电流在200mA范围内连续可调，电流控制精度可以达到1uA，在3-100KHz带宽内交流电流噪声有效值小于300nA。温度控制部分采用高度集成的MAX1978作为主控芯片，驱动半导体制冷器(TEC)进行温度补偿，长期温度漂移小于2mK，通过饱和吸收法对系统激光器进行主动稳频，激光频率稳定性基本满足探测光和阻断光的使用要求。检测系统采用荧光法检测原子束与探测光相互作用产生的荧光信号，采用飞行时间法检测原子束的纵向速度和速度谱分布。为了收集荧光信号以提高信噪比，设计了专门的荧光收集装置，采用PMT作为光电转换器件检测荧光信号。软件部分采用LABVIEW编写了虚拟仪器操作界面，并在程序中嵌入了MATLAB算法程序，对检测到的信号进行数据平滑等处理。 对冷原子干涉陀螺仪中原子束特性进行了检测，并对系统检测性能进行了分析。实验结果表明，原子束的纵向最可几速度是14.2m/s，速度分布半高宽是3.9m/s，连续原子束通量约为2.7×108atoms/s。计算得到系统的速度谱分布检测分辨率为0.16m/s，原子束通量最小可检测值约为4.7×104atoms/s。
【关键词】：冷原子干涉仪 激光器 速度分布 原子束通量
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 冷原子干涉仪的研究背景及意义10-11
• 1.2 冷原子干涉仪的应用领域和研究现状11-14
• 1.2.1 高精度惯性测量11-12
• 1.2.2 引力常数 g 测量12-13
• 1.2.3 冷原子钟时间频率测量13-14
• 1.3 原子束特性检测系统研究问题的提出14-18
• 1.4 本文主要内容18-20
• 2 基本理论介绍20-36
• 2.1 本章引论20
• 2.2 铷原子20-21
• 2.3 光与原子相互作用21-24
• 2.3.1 二能级系统21-23
• 2.3.2 光抽运23-24
• 2.4 原子冷却24-32
• 2.4.1 多普勒冷却24-27
• 2.4.2 偏振梯度效应27
• 2.4.3 磁光阱27-30
• 2.4.4 原子态制备及选择30-32
• 2.5 原子信号检测32-35
• 2.5.1 原子束通量的检测32-33
• 2.5.2 原子束速度以及速度分布检测33-35
• 2.6 本章小结35-36
• 3 原子束检测系统36-58
• 3.1 本章引论36
• 3.2 光学系统36-51
• 3.2.1 激光器36-42
• 3.2.2 稳频方法42-44
• 3.2.3 声光调制器移频44-46
• 3.2.4 饱和吸收光路46-48
• 3.2.5 光纤准直器48-50
• 3.2.6 探测光与冷原子作用50-51
• 3.3 检测装置51-55
• 3.3.1 荧光收集装置51-52
• 3.3.2 PMT 原理及参数52-55
• 3.4 数据采集系统55-57
• 3.4.1 硬件系统55-56
• 3.4.2 软件系统56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 冷原子束检测结果58-67
• 4.1 本章引论58
• 4.2 数据处理方法58-62
• 4.2.1 数据平滑滤波原理58-60
• 4.2.2 TOF 数据处理程序60-62
• 4.3 测试结果62-65
• 4.3.1 冷原子束纵向速度测试62-64
• 4.3.2 F=1 原子态制备效果测试64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 5 总结67-69
• 5.1 本文主要工作总结67
• 5.2 本文主要贡献和创新点67-68
• 5.3 展望和建议68-69
• 附录69-71
• 附录 1 铷原子光谱69-70
• 附录 2 锁频电路图70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果75-76
• 致谢76-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：423501