冷原子陀螺仪中高通量原子束的设计与实现

摘要

原子陀螺仪是基于原子的物质波特性而实现的，是原子的内态之间相干涉的原子干涉仪。相比于光学干涉仪，原子的德布罗意波长远小于光波长,因此原子陀螺仪能够获得更高的测量精度和灵敏度,具有极大的应用潜力。然而，室温下原子的德布罗意波长太短，波动现象不明显，因此需要对原子先进行冷却，得到速度较慢的冷原子。冷原子束源的制备方案采用目前被普遍采纳的磁光阱(Magneto-Optical Trap)技术，该技术已经相当成熟，结构紧凑并且牢固可靠，有利于系统小型化。
　　本文的工作针对第二代小型化原子陀螺仪系统的原子源部分进行组装、调试和优化。新系统中对原子源的获取采用了二维磁光阱外加一束推射光的结构，也即是2D+-MOT构型。与第一代的3D-MOT相比，纵向无磁场分布，减弱了对原子干涉区域的磁干扰。其光学结构的装配更加灵活多变，方便于在一套系统上尝试多种方案。鉴于集成化的考虑，重新设计了光路，不同功能模块之间通过单模保偏光纤连接，可实现移动和运输，并且光路中所有的声光调制器都实现了计算机控制，对射频驱动器件也都做了统一封装，使系统更紧凑。在获取了高通量和相干性好的冷原子束后，又对其各特征参数的稳定性分别进行测试分析，根据监测数据反复的进行更加精细的系统参数优化。考虑到激光频率和功率的稳定性对干涉实验的重要性，深入研究了外腔半导体激光器的特性及激光器稳频技术。在此基础上，相继实现了基于两个π/2拉曼光脉冲的同向Ramsey干涉和三脉冲π/2-π-π/2构型的Mach-Zehnder干涉，干涉信号稳定且干涉条纹对比度提高，为后续冷原子陀螺仪用于转动加速度的测量打下了坚实的基础。
　　磁场线圈载流1.8A时可产生大约10G/cm的横向磁场梯度，精细调节各电流可微调磁场分布。结合飞行时间法和激光诱导荧光法对原子束特征进行检测，在横向冷却光光强大约23.5mW/cm、红失谐量3Γ，推射光光强是29mW/cm、红失谐量5Γ的条件下，获取的冷原子束通量达到了94.710/×atomss，平均速度是10m/s，速度分布宽度是2m/s。冷原子束源具有准直性好、通量高的特点，实现了新系统预期的实验结果。

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1绪论

1.1激光冷却与陷俘技术

1.2冷原子束的实验方案

1.3冷原子束的应用

1.4论文主要内容

2激光冷却与陷俘原子

2.1 光与原子的相互作用

2.2 多普勒冷却

2.3 多普勒冷却极限

2. 4三维光学粘团

2.5光泵浦

2.6 塞曼效应

2.7 磁光阱

2.8 本章小结

3 冷原子束系统实验方案设计

3.1 冷原子陀螺仪系统

3.2 冷原子系统

3.3 磁场系统

3.4 激光系统

3.5 光纤扩束系统

3.6检测系统

3.7 本章小结

4实验结果及分析

4.1 Rb的激光光谱

4.2 冷原子束的图像信号

4.3 激光参数优化

4.4 速度通量谱分布

4.5 稳定性优化

4.6 原子干涉实验

4.7 本章小结

5 结论

5.1 论文工作总结

5.2 主要贡献和创新点

5.3存在的问题和工作展望

附录

附录1 基本物理常量

附录2 87Rb物理参数

附录387Rb D2线原子跃迁参量

附录4 Rb原子D2线无多普勒本底的饱和吸收谱

附录5 Rb原子D2 B线超精细能级跃迁谱

附录6 Rb原子D2 A线超精细能级跃迁谱

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢