【摘要】：冷原子干涉儀在精密測量上具有許多內(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量靈敏度和精度,廣泛應(yīng)用于地球重力場繪制、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、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量靈敏度已經(jīng)超越了其他同類經(jīng)典器件,但還遠低于其理論極限,并且從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用還需進一步小型化和集成化設(shè)計。因此,如何進一步提高現(xiàn)有原子干涉儀的測量性能并同時縮小系統(tǒng)的體積成為當(dāng)前原子干涉重力儀研究領(lǐng)域的一個重要課題。本論文圍繞如何評估并進一步提高現(xiàn)有原子干涉重力儀的測量性能這一目標,對冷原子干涉重力儀進行了完整的理論分析和實驗研究:建立了經(jīng)典Mach-Zehnder型冷原子干涉重力儀的測量模型;優(yōu)化了冷原子噴泉的溫度至2μK、原子數(shù)至10~9個;實現(xiàn)了高精度冷原子干涉絕對重力測量實驗,100s內(nèi)獲得的重力測量分辨率為5.1μGal(1μGal=10~(-9)g=10~(-8)m/s~2);評估了探測噪聲、拉曼光相位噪聲、反射鏡振動噪聲對該重力儀重力測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量了干涉腔內(nèi)的磁場分布,評估了磁場分布不均勻引起的重力測量誤差為2.04μGal;研究了拉曼激光強度調(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量性能的技術(shù)方案。本論文的主要創(chuàng)新性工作總結(jié)如下:1、提出了一種基于短脈沖、大掃頻步進拉曼譜的真空腔內(nèi)磁場強度測量方法。目前基于長脈沖、小掃頻步進拉曼譜的磁場測量方法測量時間長、測量過程需要人工參與,本文通過研究拉曼脈沖長度及掃頻步進對磁場測量不確定度的影響,提出用1ms的短脈沖、400Hz的大掃頻步進的實驗參數(shù)進行磁場測量,從而將75cm長干涉腔內(nèi)磁場的測量時間從125小時縮短到14小時,并且可以實現(xiàn)自動化測量。實驗獲得的磁場測量不確定度為0.72nT、2000s的Allan方差為0.4nT、空間分辨率優(yōu)于12mm,評估出干涉區(qū)磁場分布不均勻引起的重力測量誤差為2.04μGal。2、提出了一種消除AC Stark頻移引起的磁場測量誤差的方法。目前普遍認為光頻移對基于拉曼譜的磁場測量結(jié)果沒有影響,本文通過分析基于拉曼譜的磁場測量原理和光頻移的產(chǎn)生機理,發(fā)現(xiàn)矢量和張量光頻移會引起磁場測量誤差并在實驗上驗證了該結(jié)論:當(dāng)拉曼π脈沖的持續(xù)時間為1ms時,矢量光頻移產(chǎn)生的“虛假”磁場強度為26.8nT,張量光頻移產(chǎn)生的磁場偏差為2.2nT,提出通過求左旋和右旋圓偏振拉曼光下測得磁場平均值的方法來消除矢量光頻移的影響,通過求m_F(28)(10)1和_Fm(28)-1兩個磁敏感態(tài)下測得磁場之差的方法來提取張量光頻移的影響。3、提出了一種基于激光強度調(diào)制的干涉條紋對比度提升方案。由于拉曼光的強度在空間成高斯分布,隨著干涉過程中原子團體積的膨脹,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導(dǎo)致干涉條紋對比度的降低。本文理論分析了激光強度調(diào)制法提升干涉條紋對比度的原理,即根據(jù)膨脹后原子團的體積來調(diào)節(jié)拉曼光的強度,使之前所設(shè)置的π脈沖持續(xù)時間?_0對應(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比度提升10%以上,最后設(shè)計了一種簡單可行的實驗方案,只需要兩步即可實現(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)所需的實驗條件并設(shè)計了具體的實驗方案。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,提高實驗穩(wěn)定性。5、建立了一種基于n階布拉格衍射的大動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,建模分析了時間型大動量分束n階布拉格衍射原子干涉重力儀的關(guān)鍵實驗條件,利用該方案可將原子分束動量和重力測量靈敏度提高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】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH761.5

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本文編號：2752929