基于冷原子干涉仪的重力梯度精密测量研究

摘要

高精度的重力梯度测量在自主导航、资源勘探、地球物理和基础物理研究等领域都具有非常重要的意义。近年来，随着冷原子物理和相关技术的发展，冷原子干涉技术已广泛应用于精密物理测量和基础物理研究。基于冷原子干涉技术的重力梯度仪以μK温度的原子为操作对象，以激光相位为测量媒体，以原子钟跃迁为频率参考，具有很高的理论测量灵敏度并可实现低漂移和自校准，此外它基于全常温固态器件，具备工程化的优势，因而受到广泛关注。
　　本人博士期间的主要工作是开展冷原子干涉仪小型化原理样机及其应用技术的研究，并将其应用于高精度重力梯度测量。本学位论文详细介绍了冷原子重力梯度仪的设计、实验过程和梯度测量的结果，主要工作成果如下：
　　1.研制了部分小型光学器件和控制器件，利用有限元法分析了自制的光学模块的机械性能。所有的光学器件集成在3个50cm×44cm×10cm的小型光学模块和2个小型光纤分束模块上，初步实现了光学系统和电学系统的集成化。
　　2.完成了小型冷原子水平重力梯度仪原理样机的研制。该梯度仪由两个水平相隔大约1m的冷原子干涉仪组成，在脉冲间隔为T=112.4ms且采样率为1.75Hz的条件下，该系统的测量灵敏度为131.3mrad/Hz，长期测量的精度达到1.5mrad@5800s。
　　3.研制了基于LabVIEW的冷原子重力仪和梯度仪时序控制系统。
　　4.分析和计算了几种主要噪声源对梯度测量的噪声贡献，计算结果与实测指标相符，并在此基础上提出了原子重力梯度仪的后续改进方案。
　　5.设计实现了一种用于冷原子干涉仪的简单归一化探测方法。该方法利用干涉完成后F=3态或F=2态原子的荧光信号与淬灭过程产生的荧光信号实现归一化探测。利用该方法，归一化探测系统和探测过程都得到极大简化。利用该归一化探测方法，干涉初态原子信号的幅度噪声和幅度噪声导致的干涉条纹的短期相位噪声都可以被抑制10倍以上。

目录

声明

1 绪论

1.1 重力加速度和重力梯度的基本概念

1.2 重力梯度测量的应用

1.3 高精度重力梯度仪发展现状

1.4 冷原子干涉仪及重力梯度仪简介

1.5 博士期间主要工作

2 冷原子干涉仪理论基础

2.1 受激拉曼跃迁

2.2 原子干涉仪的相位演化

2.3 灵敏度函数与重力仪的噪声分析

2.4 冷原子水平重力梯度仪的相位提取和主要噪声误差分析

2.5 本章小结

3 冷原子水平重力梯度测量的实验系统

3.1 物理系统

3.2 光学系统

3.3 电学系统

3.4 控制与信号采集系统

3.5 本章小结

4 水平重力梯度测量

4.1 冷原子团的制备

4.2 原子喷泉

4.3 初态制备与末态探测

4.4 双光子受激拉曼跃迁

4.5 同向拉曼干涉条纹

4.6 对射拉曼条纹

4.7 椭圆拟合与阿伦方差

4.8 噪声评估与分析

4.9 本章小结

5 基于淬灭信号的归一化探测

5.1 归一化探测原理

5.2 干涉初态的归一化探测

5.3 原子干涉条纹相位噪声的归一化探测效果

5.4 本章小结

6 总结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间成果目录