【摘要】：原子干涉型絕對(duì)重力儀因具有很高的靈敏度和測(cè)量精度而日益得到重視。這種重力儀具有很多優(yōu)點(diǎn):測(cè)量時(shí)間短、精度高、性能穩(wěn)定。這種重力儀雖然已經(jīng)有較大突破,但由于體積大、裝置復(fù)雜等原因,尚未實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)量和野外測(cè)量。目前主要還是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行工作。研究原子重力儀的最終目標(biāo)是做到可移動(dòng)測(cè)量、能夠完成野外測(cè)量任務(wù),所以將激光系統(tǒng)小型化,同時(shí)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性的檢驗(yàn),具有重要的價(jià)值。本文對(duì)基于光纖激光器的小型化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作進(jìn)行了研究。實(shí)現(xiàn)的光路都集成到一個(gè)鋁盒之中,體積減小為原來(lái)光路的1/3�，F(xiàn)在一人即可實(shí)現(xiàn)光路的移動(dòng)和組裝,而以前的光路最起碼需要4人才可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。小型化完成后,基于野外測(cè)量需求,我們針對(duì)溫度變化對(duì)光路的影響做了實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中光纖耦合效率產(chǎn)生巨大影響。溫度波動(dòng)大時(shí)效率會(huì)變化10%,但是恒溫下可保證其變化小于1%。我們?yōu)楣鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了保溫盒,溫度變化小于0.1℃。本文各章主要內(nèi)容如下:第一章介紹了冷原子重力儀的歷史背景、發(fā)展歷程以及潛在的應(yīng)用,描述了近幾年國(guó)內(nèi)外冷原子重力儀的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景,論述了進(jìn)行冷原子重力儀小型化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性,并簡(jiǎn)要地描述了本文的工作重點(diǎn)。第二章描述了NKT Photonics窄線寬光纖激光器的優(yōu)點(diǎn),討論了可以?xún)?yōu)化我們系統(tǒng)的各個(gè)方面。詳述了光纖激光器的各種性能,討論了所用光纖激光器的必要性。第三章詳細(xì)介紹了我們所設(shè)計(jì)的激光系統(tǒng),詳細(xì)介紹了小型化光路的光路方案以及光強(qiáng)分配方案。在此基礎(chǔ)上對(duì)我們所搭建的光路系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,并且詳述了該激光方案和光路方案的優(yōu)點(diǎn)。并詳細(xì)介紹了以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)械快門(mén)擋光系統(tǒng)的各個(gè)組成部分,詳述了機(jī)械快門(mén)擋光系統(tǒng)的擋光性能。第四章主要研究了小型化激光系統(tǒng)的溫變特性。首先研究了溫度對(duì)光纖激光器的輸出光功率和輸出光波長(zhǎng)的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)并不會(huì)隨著溫度的變化而變化,光纖激光器內(nèi)部溫控系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度的變化。然后研究了溫度對(duì)光路系統(tǒng)的影響,實(shí)驗(yàn)表明溫度改變會(huì)影響光纖耦合效率。第五章基于多種保溫材料為激光系統(tǒng)和光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了保溫盒并進(jìn)行相關(guān)物理實(shí)驗(yàn),并研究了保溫盒的保溫特性。第六章對(duì)本文主要結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行展望。。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN248;P223
【圖文】：

1.1 重力測(cè)量概述重力加速度 g 是描述地球重力場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，其實(shí)時(shí)實(shí)地的精確測(cè)量具有重要科學(xué)意義。絕對(duì)重力測(cè)量依賴(lài)于高精度的絕對(duì)重力儀。原子干涉絕對(duì)重力儀因具有較高的靈敏度和測(cè)量精度而日益得到重視。為了開(kāi)展高精度重力測(cè)量[1-3]和相關(guān)引力實(shí)驗(yàn)研究，我們進(jìn)行了冷原子干涉重力測(cè)量的原理性實(shí)驗(yàn)研究。原子重力儀采用自由落體運(yùn)動(dòng)的冷原子作為檢驗(yàn)質(zhì)量，用相位相干的 Raman 光對(duì)其進(jìn)行操控實(shí)現(xiàn)原子干涉[4]。干涉相位包含重力加速度 g 和 Raman 光位相等信息，通過(guò)用激光相位補(bǔ)償重力加速度引起的相移，可以測(cè)量出重力加速度的絕對(duì)值。如圖 1-1 所示在磁光阱中捕獲足夠的冷原子后，令其在重力場(chǎng)中自由下落，在下落過(guò)程中利用三個(gè)拉曼光束脈沖“π/2，π，π/2 與冷原子包進(jìn)行相互作用，實(shí)現(xiàn)分束、偏轉(zhuǎn)與合束，在這兩個(gè)路徑過(guò)程中原子外態(tài)的轉(zhuǎn)變總是伴隨著內(nèi)態(tài)的轉(zhuǎn)變，最后兩束相干的物質(zhì)波匯聚在一塊實(shí)現(xiàn)了干涉的過(guò)程。

計(jì)量研究院、武漢物數(shù)所和中科大這么幾家單位。浙江工業(yè)研究中心是最早從事冷原子重力儀研制的研究所之一，2013原子重力儀的原理樣機(jī)。2017 年更是研制出了多達(dá)五臺(tái)的冷其中四臺(tái)已經(jīng)可以?xún)H僅通過(guò)三人進(jìn)行冷原子重力儀的拆卸、搬工作，可以說(shuō)浙江工業(yè)大學(xué)光學(xué)與光電子研究中心所研制的冷化可移動(dòng)重力儀的研制上處于國(guó)內(nèi)各個(gè)單位的領(lǐng)先地位。下圖光學(xué)與光電子研究中心所研發(fā)的冷原子重力儀的實(shí)物圖，在尺上擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且所測(cè)量的精準(zhǔn)度也處于領(lǐng)先水平。下統(tǒng)總共分為三個(gè)部分，圖片左半邊為激光系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)光系統(tǒng)是放置在電路控制系統(tǒng)上方的，右半邊為一個(gè)高度為真空探頭系統(tǒng)。左半邊的激光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過(guò)總線與右進(jìn)行連接，整套系統(tǒng)可以在 45 分鐘內(nèi)被安裝完成，預(yù)熱時(shí)間后便可以開(kāi)始接下去的測(cè)量工作。

促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的方向，所以國(guó)內(nèi)各家研究所都在努力的進(jìn)行冷原子重力化設(shè)計(jì)，將其往緊湊性、重量輕、穩(wěn)定性好[10、11]等方向研究。國(guó)外現(xiàn)狀前在國(guó)外美國(guó)的 Aosense 公司和法國(guó)的 uQuans 公司在小型化可移動(dòng)冷的研制上處于領(lǐng)先水平，其中法國(guó)的 uQuans 公司可以實(shí)現(xiàn)兩人的搬運(yùn)卸組裝和調(diào)試工作，無(wú)論在尺寸還是在重量上都實(shí)現(xiàn)了小型化和可移動(dòng)完全可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。如下圖 1-3 所示為法國(guó) uQuans 公司生產(chǎn)的第化可移動(dòng)冷原子重力儀 AQG-A01[12]，AQG-A01 總共分為三個(gè)部分，圖為激光系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)激光系統(tǒng)是放置在電路控制的，右半邊為一個(gè)高度為 70cm 重量為 30kg 的真空探頭系統(tǒng)。左半邊統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過(guò)后方黑色的 5m 長(zhǎng)總線與右邊的真空探頭系統(tǒng)進(jìn)行套系統(tǒng)可以在 20 分鐘內(nèi)被安裝完成，預(yù)熱時(shí)間小于一個(gè)小時(shí)，隨后便接下去的測(cè)量工作。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2783186