原子干涉陀螺仪中的探测噪声研究

摘要

近二十多年以来，随着激光冷却与囚禁原子技术的进步，原子干涉技术也随之不断发展。原子干涉仪已被应用于诸多基础科学领域，例如等效原理检验、低频引力波探测、以及暗物质暗能量的实验检验。原子干涉技术也广泛的应用于重力仪、陀螺仪以及重力梯度仪的研制等。探测噪声是原子干涉仪的主要噪声之一。在本课题组原子干涉陀螺仪的研究工作的基础上，本人主要围绕原子干涉陀螺仪中的探测噪声展开研究,分析探测噪声来源，研究限制探测噪声进一步降低的主要限制因素，为构建高精度原子干涉陀螺仪中的低噪声探测系统打好基础。 本文首先介绍了原子干涉陀螺仪末态概率探测的基本原理和方法，着重介绍了本课题组原子干涉陀螺仪中的双能级荧光探测系统；并对探测系统的噪声进行了评估，给出了探测系统噪声大小和其对转动测量灵敏度的限制；本文重点对探测噪声进行了详细的分类研究，探测噪声的来源主要有量子投影噪声，电路噪声和探测光噪声。本论文分别对这三个噪声来源进行了理论分析和数值模拟，计算了探测电路中|F=2>态和|F=1>态的灵敏度函数和电路噪声传递函数，通过数值模拟给出了探测光功率及频率噪声的传递函数。并计算了各项噪声对原子干涉仪探测概率的影响，给出了各项噪声具体的改进方式。实验上，本文利用调制原子数目方式对总的探测噪声进行了评估，得到总的探测噪声为0.33%@1s，对原子干涉转动测量的分辨率限制为30nrad/s/√Hz，并通过测量的噪声功率谱密度和噪声传函评估了各项噪声来源的大小，其中量子投影噪声对探测噪声的贡献为0.15%@1s、电路噪声对探测噪声的贡献为0.21%@1s、探测光功率和频率波动对探测噪声的贡献为0.18%@1s。目前从实验和理论计算结果来看探测系统主要受限于电路噪声和探测光噪声。为了进一步减小探测噪声，接下来在探测实验中需要优化探测电路，增加原子数目和使用同时探测方案。

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摘 要

Abstract

绪论

1.1.课题研究背景

1.2.原子干涉陀螺仪中的探测需求

1.3.原子干涉陀螺仪中的探测噪声影响

1.4.硕士期间主要工作

2. 华中科技大学原子干涉陀螺仪中的探测系统

2.1.原子干涉陀螺仪探测系统基本原理

2.2.双能级荧光探测光路系统

2.3.荧光收集系统

2.4.双能级荧光探测信号处理

2.5.本章小节

3.探测噪声理论分析

3.1.量子投影噪声

3.1.1.量子投影噪声的来源

3.1.2.量子投影噪声的计算

3.2.电路噪声

3.3.探测光噪声

3.3.1.探测光功率噪声

3.3.2.探测光频率噪声

3.3.3.探测光噪声总结

3.4.本章小节

4.探测噪声测量实验与评估

4.1.评估探测噪声的实验装置

4.2.分束器噪声评估

4.3.探测噪声评估

4.3.1.通过调制原子数目评估探测噪声

4.3.2.量子投影噪声评估

4.3.3.电路噪声评估

4.3.4.探测光噪声评估

4.4.本章小节

5.总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录

附录2 87Rb原子的相关参数