【摘要】：冷原子干涉儀在精密測(cè)量上具有許多內(nèi)稟的優(yōu)越性和良好的技術(shù)潛力,可以大幅提高現(xiàn)有陀螺儀、重力儀和重力梯度儀的測(cè)量靈敏度和精度,廣泛應(yīng)用于地球重力場(chǎng)繪制、重力匹配導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航、工業(yè)生產(chǎn)、資源勘探、地震預(yù)報(bào)、基礎(chǔ)科學(xué)及地球物理學(xué)等眾多領(lǐng)域。雖然目前基于拉曼脈沖的冷原子干涉儀的測(cè)量靈敏度已經(jīng)超越了其他同類(lèi)經(jīng)典器件,但還遠(yuǎn)低于其理論極限,并且從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用還需進(jìn)一步小型化和集成化設(shè)計(jì)。因此,如何進(jìn)一步提高現(xiàn)有原子干涉儀的測(cè)量性能并同時(shí)縮小系統(tǒng)的體積成為當(dāng)前原子干涉重力儀研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本論文圍繞如何評(píng)估并進(jìn)一步提高現(xiàn)有原子干涉重力儀的測(cè)量性能這一目標(biāo),對(duì)冷原子干涉重力儀進(jìn)行了完整的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究:建立了經(jīng)典Mach-Zehnder型冷原子干涉重力儀的測(cè)量模型;優(yōu)化了冷原子噴泉的溫度至2μK、原子數(shù)至10~9個(gè);實(shí)現(xiàn)了高精度冷原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量實(shí)驗(yàn),100s內(nèi)獲得的重力測(cè)量分辨率為5.1μGal(1μGal=10~(-9)g=10~(-8)m/s~2);評(píng)估了探測(cè)噪聲、拉曼光相位噪聲、反射鏡振動(dòng)噪聲對(duì)該重力儀重力測(cè)量分辨率的限制分別為0.75μGal、0.24μGal和1.96μGal;用短脈沖拉曼譜法測(cè)量了干涉腔內(nèi)的磁場(chǎng)分布,評(píng)估了磁場(chǎng)分布不均勻引起的重力測(cè)量誤差為2.04μGal;研究了拉曼激光強(qiáng)度調(diào)制、n階布拉格衍射、拉曼邊帶冷卻結(jié)合絕熱快速通道等多種提升原子干涉重力儀測(cè)量性能的技術(shù)方案。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作總結(jié)如下:1、提出了一種基于短脈沖、大掃頻步進(jìn)拉曼譜的真空腔內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法。目前基于長(zhǎng)脈沖、小掃頻步進(jìn)拉曼譜的磁場(chǎng)測(cè)量方法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量過(guò)程需要人工參與,本文通過(guò)研究拉曼脈沖長(zhǎng)度及掃頻步進(jìn)對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量不確定度的影響,提出用1ms的短脈沖、400Hz的大掃頻步進(jìn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量,從而將75cm長(zhǎng)干涉腔內(nèi)磁場(chǎng)的測(cè)量時(shí)間從125小時(shí)縮短到14小時(shí),并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。實(shí)驗(yàn)獲得的磁場(chǎng)測(cè)量不確定度為0.72nT、2000s的Allan方差為0.4nT、空間分辨率優(yōu)于12mm,評(píng)估出干涉區(qū)磁場(chǎng)分布不均勻引起的重力測(cè)量誤差為2.04μGal。2、提出了一種消除AC Stark頻移引起的磁場(chǎng)測(cè)量誤差的方法。目前普遍認(rèn)為光頻移對(duì)基于拉曼譜的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響,本文通過(guò)分析基于拉曼譜的磁場(chǎng)測(cè)量原理和光頻移的產(chǎn)生機(jī)理,發(fā)現(xiàn)矢量和張量光頻移會(huì)引起磁場(chǎng)測(cè)量誤差并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該結(jié)論:當(dāng)拉曼π脈沖的持續(xù)時(shí)間為1ms時(shí),矢量光頻移產(chǎn)生的“虛假”磁場(chǎng)強(qiáng)度為26.8nT,張量光頻移產(chǎn)生的磁場(chǎng)偏差為2.2nT,提出通過(guò)求左旋和右旋圓偏振拉曼光下測(cè)得磁場(chǎng)平均值的方法來(lái)消除矢量光頻移的影響,通過(guò)求m_F(28)(10)1和_Fm(28)-1兩個(gè)磁敏感態(tài)下測(cè)得磁場(chǎng)之差的方法來(lái)提取張量光頻移的影響。3、提出了一種基于激光強(qiáng)度調(diào)制的干涉條紋對(duì)比度提升方案。由于拉曼光的強(qiáng)度在空間成高斯分布,隨著干涉過(guò)程中原子團(tuán)體積的膨脹,大量原子將偏離拉曼光中心從而感受到較小的激光密度,持續(xù)時(shí)間為2τ的拉曼光的脈沖面積將不再是π,π脈沖保真度的降低會(huì)導(dǎo)致干涉條紋對(duì)比度的降低。本文理論分析了激光強(qiáng)度調(diào)制法提升干涉條紋對(duì)比度的原理,即根據(jù)膨脹后原子團(tuán)的體積來(lái)調(diào)節(jié)拉曼光的強(qiáng)度,使之前所設(shè)置的π脈沖持續(xù)時(shí)間?_0對(duì)應(yīng)最大的π脈沖保真度,建模仿真結(jié)果表明采用該方案可將干涉條紋對(duì)比度提升10%以上,最后設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可行的實(shí)驗(yàn)方案,只需要兩步即可實(shí)現(xiàn)。4、提出了一種基于拉曼邊帶冷卻結(jié)合絕熱快速通道的高效原子態(tài)制備方案。傳統(tǒng)基于拉曼躍遷結(jié)合微波躍遷的原子速度選擇和態(tài)制備方案的效率僅為2%左右,原子利用率極低。本文提出在磁光阱冷卻之后先使用拉曼邊帶冷卻技術(shù)將原子團(tuán)溫度冷卻至500nK左右,接著使用絕熱快速通道技術(shù)將原子絕熱地傳輸?shù)酱挪幻舾械腇(28)1,m_F(28)0態(tài)的高效態(tài)制備方案,分析了拉曼邊帶冷卻及絕熱快速通道技術(shù)所需的實(shí)驗(yàn)條件并設(shè)計(jì)了具體的實(shí)驗(yàn)方案。研究表明:利用該方案可獲得優(yōu)于40%的態(tài)制備效率,可將傳統(tǒng)方案的態(tài)制備效率提高20-30倍,并且良好的魯棒性還可降低原子數(shù)漲落,提高實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性。5、建立了一種基于n階布拉格衍射的大動(dòng)量分束型原子干涉重力儀模型。在研究n階布拉格衍射基本原理的基礎(chǔ)上,建模分析了時(shí)間型大動(dòng)量分束n階布拉格衍射原子干涉重力儀的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件,利用該方案可將原子分束動(dòng)量和重力測(cè)量靈敏度提高n倍以上,還可有效減小共模誤差并降低環(huán)境干擾的影響。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH761.5

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本文編號(hào)：2752929