【摘要】：陀螺儀是測量載體平臺的角速度的裝置。在慣性導航系統(tǒng)中,陀螺儀是非常重要的組成部分。慣性導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、光學陀螺儀、微機電陀螺等。它們都在不同的方面表現(xiàn)出各自的優(yōu)點,因而在不同的場合都得到廣泛的應用。轉(zhuǎn)子式陀螺儀具有極高的精度,光學陀螺儀精度中等、工作穩(wěn)定,而微機電陀螺儀價格低、易于集成化。僅僅在技術和工藝上對這些陀螺儀進行改進,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的進步,量子光力學也得到了蓬勃的發(fā)展。光力系統(tǒng)是指光學模式與機械模式耦合的系統(tǒng),用量子的方法研究光力系統(tǒng)的科學稱為量子光力學。光力系統(tǒng)在量子態(tài)制備與操控、信息傳遞控制和機械模式冷卻等方面都有廣泛的應用。在精密測量方面,光力系統(tǒng)的應用也得到了深入的研究。比如應用量子光力學對微小位移、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)應用于角速度的測量,就構(gòu)成光力學陀螺儀。本論文的主要內(nèi)容是在其他人關于光力學陀螺儀的工作的基礎上,進一步研究光力學陀螺儀。論文的主要內(nèi)容分為以下三個部分。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的背景和現(xiàn)狀,以及已有的光力學陀螺儀工作。第二章的內(nèi)容是量子光力學和陀螺儀理論基礎和常用的處理方法。其中關于光力學的內(nèi)容包括標準光力系統(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。關于陀螺儀的內(nèi)容,主要指雙模機械振子在旋轉(zhuǎn)坐標系下的經(jīng)典和量子的動力學描述。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)容是有機械驅(qū)動的光力學陀螺儀。如果對雙模機械振子的一個模式加正弦形式的驅(qū)動力,另一個模式就會感受到正弦形式的科里奧利力。這個機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光力學陀螺儀。這種方法旨在消除光腔對振子的反作用噪聲,從而突破標準量子極限,提高光力學陀螺儀的靈敏度。第四章的內(nèi)容是無機械驅(qū)動的光力學陀螺儀。在不加機械驅(qū)動的情況下,機械模式仍然存在熱運動,那么平臺旋轉(zhuǎn)導致的科里奧利力仍然會將兩個機械模式耦合起來。這誘導了兩個效應:機械振子位移的漲落譜與兩機械模式不耦合時不同,并且與耦合強度相關;兩個機械模式的耦合意味著存在簡正模式的頻率劈裂。這兩個效應都與旋轉(zhuǎn)角速度有關,并且可以在實驗上測量,可以作為陀螺儀工作的基礎。第三部分是第五章,其內(nèi)容是應用類似電磁誘導透明的方法來改進邊帶冷卻的工作。對機械模式的冷卻也有潛力改進光力陀螺儀。因為一般情況下,機械噪聲是光力陀螺的一個重要噪聲來源,對機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)并展望將來可能進行的工作。這是第六章的內(nèi)容。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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準的光力系統(tǒng)由一個光腔和一個機械振子組成。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)的光學模式和腔壁的機械振動模式通過輻射壓力耦合起來。此時系統(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)光學模式進行量逡逑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，這三個實數(shù)解中只有兩個是穩(wěn)定的（標準光力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將在下小節(jié)逡逑中討論），此時標準光力系統(tǒng)將出現(xiàn)雙穩(wěn)現(xiàn)象，如圖２．２。逡逑對標準光力系統(tǒng)，Ａ0＝力〃是一個閾值，在Ａ（）邋＞邋時，標準光力系統(tǒng)存在雙逡逑穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，而在ＡＱ＜邐時則不存在雙穩(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)的時候，應逡逑當避開雙穩(wěn)區(qū)，這可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動光的強度來實現(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