【摘要】：高精度重力測量是現(xiàn)代導(dǎo)航、地球觀測、資源開采和基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域的重要工具,基于冷原子干涉的精密重力測量技術(shù)以其突出的發(fā)展速度,表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。本論文以冷原子干涉技術(shù)在慣性測量中的應(yīng)用為主要背景,研究了原子干涉精密重力測量領(lǐng)域的理論和關(guān)鍵技術(shù)問題,包括對原子干涉重力測量系統(tǒng)的總體設(shè)計和研制,關(guān)鍵子系統(tǒng)的優(yōu)化和改進,系統(tǒng)性能的完整測試,測量噪聲和誤差的建模分析、實驗評估與補償方法討論,以及增強原子干涉對比度的新方法探索性研究。論文的主要工作總結(jié)如下:1、設(shè)計并研制了課題組首套冷原子干涉重力測量系統(tǒng)。分析了基于拉曼脈沖型Mach Zehnder冷原子干涉儀的慣性測量原理,優(yōu)化設(shè)計了重力儀真空、磁場、光學和電子學系統(tǒng),實現(xiàn)了整套裝置的集成。提出了一種基于聲光調(diào)制轉(zhuǎn)移譜的高自由度激光器穩(wěn)頻方法,克服了常規(guī)電光調(diào)制方法中RLC諧振電路和高階邊帶的影響,可獲得更大的調(diào)制深度和調(diào)制頻率選擇范圍,并提供更高的光學隔離度。對鑒頻信號斜率隨不同參數(shù)的變化過程進行了理論分析,通過實驗測試實現(xiàn)了調(diào)制參數(shù)(頻率、深度和相位)的優(yōu)化,將激光器線寬壓低到63kHz,頻率相對穩(wěn)定性達到1×10~(-1) ~2@30s,并在AOM帶寬內(nèi)實現(xiàn)了鎖定狀態(tài)下的激光頻率調(diào)節(jié)。提出了一種易于穩(wěn)定集成的原子干涉整體光路結(jié)構(gòu)和頻率控制方式,通過上位機通訊對參考信號源進行編程,借助于高帶寬和低相噪的激光鎖相板,實現(xiàn)干涉過程中激光頻率的時序控制,減少了實驗中AOM的移頻操作,避免了AOM衍射角度變化帶來的光路偏差,解決了移頻范圍受帶寬限制的問題,同時簡化了光路結(jié)構(gòu)和配套的驅(qū)動電路。2、開展了冷原子干涉重力測量實驗研究�；谒傻南到y(tǒng),完成了冷原子團制備與優(yōu)化,最終裝載率為4×10~8 s,原子數(shù)為3.4×10~8,溫度達到5.2μK;利用反向拉曼π脈沖實現(xiàn)速度選擇和磁不敏感初態(tài)制備,將縱向溫度壓縮至507nK;設(shè)計并實現(xiàn)了單光斑分時雙態(tài)熒光探測系統(tǒng),完成了原子末態(tài)躍遷概率的快速測量,信噪比達到32dB;獲得了拉比振蕩曲線和同/反向干涉條紋,自由演化時間達到90ms,反向條紋對比度為17%;進行了重力信號提取實驗,得到了本地絕對重力加速度數(shù)值為(7)9.805740±0.000003(8)m s~2,測量分辨率達到6.5μGal@1000s,測量靈敏度為121μGal/Hz~(1/2)。3、進行了重力測量系統(tǒng)噪聲評估與系統(tǒng)誤差分析。研究了干涉過程中的主要噪聲源及其影響方式,評估了其對重力測量結(jié)果的貢獻,討論了提高靈敏度的可行措施。綜合考慮雙光子頻移、AC-Stark頻移、二階塞曼頻移、拉曼光傾斜、拉曼光波前分布和科里奧利力等主要誤差源對干涉相移測量結(jié)果的影響機理,并將其與拉曼光波矢方向、拉比頻率、自由演化時間、磁場分布、原子團溫度和密度分布等實驗參數(shù)相結(jié)合,建立了多因素耦合下的原子干涉重力測量誤差傳遞模型。通過設(shè)計合理的實驗參數(shù)組合,實現(xiàn)了不同誤差因素的解耦,并對部分誤差項進行了初步的定量分析和評估。4、提出了一種基于最優(yōu)估計的拉曼光波前相移評估方法。結(jié)合干涉實驗中的原子團擴散與激光傳播過程,利用Zernike多項式將拉曼光波前進行分解,建立了波前相移隨原子團位置和速度分布、自由演化時間及各階Zernike多項式系數(shù)變化的數(shù)學模型。通過對原子團溫度和尺寸等實驗參數(shù)的精確設(shè)定,測量得到不同參數(shù)組合下的干涉相移,組成以各階Zernike多項式系數(shù)為未知量的超定線性方程組,利用最優(yōu)估計方法實現(xiàn)對拉曼光有效波前和相應(yīng)波前相移的求解。數(shù)值仿真結(jié)果顯示,波前估計精度與參數(shù)組合數(shù)量和實驗噪聲水平有關(guān),在10~6個原子對應(yīng)的量子極限噪聲下,通過20組參數(shù)組合和100次重復(fù)測量,Zernike多項式系數(shù)的估計不確定度為6%,預(yù)期波前相移的評估不確定度可達0.2mrad。5、探索性研究了基于復(fù)合脈沖序列和脈沖形狀調(diào)制的干涉條紋對比度提升方法。從解決原子團溫度與干涉條紋對比度矛盾的角度出發(fā),分析了原子團溫度對干涉條紋對比度的影響機理,探討了復(fù)合脈沖序列和脈沖形狀調(diào)制兩種技術(shù)下的脈沖構(gòu)建原則。其中,復(fù)合脈沖序列通過級聯(lián)多個拉曼脈沖構(gòu)成合理的相位循環(huán)來補償單一脈沖中的失諧誤差,而脈沖形狀調(diào)制則通過設(shè)計脈沖時域波形來構(gòu)建預(yù)期的失諧響應(yīng)曲線。利用數(shù)值仿真手段對比了不同序列和脈沖形狀對單一矩形脈沖的改進效果,并從條紋對比度和相移角度討論了它們在整個干涉序列中的總體作用。結(jié)果顯示,通過合理的干涉序列選擇,能夠大大提升高溫原子團的干涉條紋對比度,增加干涉儀對原子團溫度的容忍能力,同時提高原子通量,降低噪聲極限。
【學位授予單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O562;TH761.5

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