【摘要】：陀螺儀是測量載體平臺的角速度的裝置。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,陀螺儀是非常重要的組成部分。慣性導(dǎo)航的性能很大程度上取決于陀螺儀的性能。迄今為止,主流的陀螺儀主要包括轉(zhuǎn)子式陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、微機(jī)電陀螺等。它們都在不同的方面表現(xiàn)出各自的優(yōu)點(diǎn),因而在不同的場合都得到廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子式陀螺儀具有極高的精度,光學(xué)陀螺儀精度中等、工作穩(wěn)定,而微機(jī)電陀螺儀價(jià)格低、易于集成化。僅僅在技術(shù)和工藝上對這些陀螺儀進(jìn)行改進(jìn),對陀螺儀性能的提升比較有限。因而,人們研究了一些基于新原理的陀螺儀。比如核磁共振陀螺儀、超流體陀螺儀、原子干涉陀螺儀等。另一方面,近些年來,得益于微納加工技術(shù)的進(jìn)步,量子光力學(xué)也得到了蓬勃的發(fā)展。光力系統(tǒng)是指光學(xué)模式與機(jī)械模式耦合的系統(tǒng),用量子的方法研究光力系統(tǒng)的科學(xué)稱為量子光力學(xué)。光力系統(tǒng)在量子態(tài)制備與操控、信息傳遞控制和機(jī)械模式冷卻等方面都有廣泛的應(yīng)用。在精密測量方面,光力系統(tǒng)的應(yīng)用也得到了深入的研究。比如應(yīng)用量子光力學(xué)對微小位移、質(zhì)量的測量,對溫度、加速度、引力波的測量等。將光力系統(tǒng)應(yīng)用于角速度的測量,就構(gòu)成光力學(xué)陀螺儀。本論文的主要內(nèi)容是在其他人關(guān)于光力學(xué)陀螺儀的工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究光力學(xué)陀螺儀。論文的主要內(nèi)容分為以下三個(gè)部分。第一部分為第一章和第二章。第一章的內(nèi)容是陀螺儀和光力學(xué)的背景和現(xiàn)狀,以及已有的光力學(xué)陀螺儀工作。第二章的內(nèi)容是量子光力學(xué)和陀螺儀理論基礎(chǔ)和常用的處理方法。其中關(guān)于光力學(xué)的內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)光力系統(tǒng)的模型、哈密頓量、朗之萬方程、穩(wěn)態(tài)及線性化、漲落譜和零差測量。關(guān)于陀螺儀的內(nèi)容,主要指雙模機(jī)械振子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的經(jīng)典和量子的動力學(xué)描述。第二部分包括第三章和第四章,是本論文的主體部分。第三章的內(nèi)容是有機(jī)械驅(qū)動的光力學(xué)陀螺儀。如果對雙模機(jī)械振子的一個(gè)模式加正弦形式的驅(qū)動力,另一個(gè)模式就會感受到正弦形式的科里奧利力。這個(gè)機(jī)械模式在科里奧利力的作用下振動,其振幅與平臺旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。用光力系統(tǒng)測量振幅,就可以推斷出平臺旋轉(zhuǎn)的角速度。另外,本章內(nèi)容還包括用量子噪聲相干消除的方法來改進(jìn)光力學(xué)陀螺儀。這種方法旨在消除光腔對振子的反作用噪聲,從而突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,提高光力學(xué)陀螺儀的靈敏度。第四章的內(nèi)容是無機(jī)械驅(qū)動的光力學(xué)陀螺儀。在不加機(jī)械驅(qū)動的情況下,機(jī)械模式仍然存在熱運(yùn)動,那么平臺旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的科里奧利力仍然會將兩個(gè)機(jī)械模式耦合起來。這誘導(dǎo)了兩個(gè)效應(yīng):機(jī)械振子位移的漲落譜與兩機(jī)械模式不耦合時(shí)不同,并且與耦合強(qiáng)度相關(guān);兩個(gè)機(jī)械模式的耦合意味著存在簡正模式的頻率劈裂。這兩個(gè)效應(yīng)都與旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān),并且可以在實(shí)驗(yàn)上測量,可以作為陀螺儀工作的基礎(chǔ)。第三部分是第五章,其內(nèi)容是應(yīng)用類似電磁誘導(dǎo)透明的方法來改進(jìn)邊帶冷卻的工作。對機(jī)械模式的冷卻也有潛力改進(jìn)光力陀螺儀。因?yàn)橐话闱闆r下,機(jī)械噪聲是光力陀螺的一個(gè)重要噪聲來源,對機(jī)械模式的冷卻有助于降低此噪聲,提高光力陀螺儀的靈敏度。在主要內(nèi)容之后,我們給出本論文的總結(jié)并展望將來可能進(jìn)行的工作。這是第六章的內(nèi)容。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O431.2;TN96
【圖文】：

２．２光力系統(tǒng)的模型與哈密頓量逡逑標(biāo)準(zhǔn)的光力系統(tǒng)由一個(gè)光腔和一個(gè)機(jī)械振子組成。最典型的是法布里－珀羅光腔逡逑和彈簧振子模型，如圖２．１。逡逑腔內(nèi)的光學(xué)模式和腔壁的機(jī)械振動模式通過輻射壓力耦合起來。此時(shí)系統(tǒng)的哈逡逑密頓量可以通過常規(guī)的量子化方法得到。值得注意的是，在對腔內(nèi)光學(xué)模式進(jìn)行量逡逑６逡逑

＝邋２開邋ｘ邋９．４７邋ｘ邋１０５邋Ｈｚ，欠二邋２兀邋ｘ邋２．１５邋ｘ邋１０５邋Ｈｚ，／７？邋＝邋１４５邋ｎｇ，ｇ邋＝邋２；ｒ邋ｘ邋２．７邋Ｈｚ。逡逑通常，這三個(gè)實(shí)數(shù)解中只有兩個(gè)是穩(wěn)定的（標(biāo)準(zhǔn)光力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將在下小節(jié)逡逑中討論），此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光力系統(tǒng)將出現(xiàn)雙穩(wěn)現(xiàn)象，如圖２．２。逡逑對標(biāo)準(zhǔn)光力系統(tǒng)，Ａ0＝力〃是一個(gè)閾值，在Ａ（）邋＞邋時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)光力系統(tǒng)存在雙逡逑穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，而在ＡＱ＜邐時(shí)則不存在雙穩(wěn)態(tài)。多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象普遍存在于非線性的系統(tǒng)逡逑中，并且己經(jīng)得到了深入的研宄［７７－８１］。一般情況下，在使用光力系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)逡逑當(dāng)避開雙穩(wěn)區(qū)，這可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動光的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。逡逑１０逡逑

邐（２．２４ｂ）逡逑我們可以通過測量光腔的輸出場來得到機(jī)械振子的位移信號。在本論文中，我們用逡逑零差（ｈｏｍｏｄｙｎｅ）測量方法來測量光腔的輸出場，如圖２．３。逡逑0Ｒ逡逑Ｄ＇逡逑ｄ２逡逑／：逡逑圖２．３零差測量方法的示意閣逡逑零差測量的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)節(jié)參考光場的相位來測量光腔輸出場的任意正交逡逑１２逡逑

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本文編號：2747082