【摘要】：高精度重力測(cè)量是現(xiàn)代導(dǎo)航、地球觀測(cè)、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(cè)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(cè)量中的應(yīng)用為主要背景,研究了原子干涉精密重力測(cè)量領(lǐng)域的理論和關(guān)鍵技術(shù)問題,包括對(duì)原子干涉重力測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和研制,關(guān)鍵子系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn),系統(tǒng)性能的完整測(cè)試,測(cè)量噪聲和誤差的建模分析、實(shí)驗(yàn)評(píng)估與補(bǔ)償方法討論,以及增強(qiáng)原子干涉對(duì)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(jì)并研制了課題組首套冷原子干涉重力測(cè)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(cè)量原理,優(yōu)化設(shè)計(jì)了重力儀真空、磁場、光學(xué)和電子學(xué)系統(tǒng),實(shí)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(xué)隔離度。對(duì)鑒頻信號(hào)斜率隨不同參數(shù)的變化過程進(jìn)行了理論分析,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)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(duì)穩(wěn)定性達(dá)到1×10~(-1) ~2@30s,并在AOM帶寬內(nèi)實(shí)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(jī)通訊對(duì)參考信號(hào)源進(jìn)行編程,借助于高帶寬和低相噪的激光鎖相板,實(shí)現(xiàn)干涉過程中激光頻率的時(shí)序控制,減少了實(shí)驗(yàn)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(shí)簡化了光路結(jié)構(gòu)和配套的驅(qū)動(dòng)電路。2、開展了冷原子干涉重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究�；谒傻南到y(tǒng),完成了冷原子團(tuán)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(dá)到5.2μK;利用反向拉曼π脈沖實(shí)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了單光斑分時(shí)雙態(tài)熒光探測(cè)系統(tǒng),完成了原子末態(tài)躍遷概率的快速測(cè)量,信噪比達(dá)到32dB;獲得了拉比振蕩曲線和同/反向干涉條紋,自由演化時(shí)間達(dá)到90ms,反向條紋對(duì)比度為17%;進(jìn)行了重力信號(hào)提取實(shí)驗(yàn),得到了本地絕對(duì)重力加速度數(shù)值為(7)9.805740±0.000003(8)m s~2,測(cè)量分辨率達(dá)到6.5μGal@1000s,測(cè)量靈敏度為121μGal/Hz~(1/2)。3、進(jìn)行了重力測(cè)量系統(tǒng)噪聲評(píng)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(píng)估了其對(duì)重力測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn),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(duì)干涉相移測(cè)量結(jié)果的影響機(jī)理,并將其與拉曼光波矢方向、拉比頻率、自由演化時(shí)間、磁場分布、原子團(tuán)溫度和密度分布等實(shí)驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合,建立了多因素耦合下的原子干涉重力測(cè)量誤差傳遞模型。通過設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合,實(shí)現(xiàn)了不同誤差因素的解耦,并對(duì)部分誤差項(xiàng)進(jìn)行了初步的定量分析和評(píng)估。4、提出了一種基于最優(yōu)估計(jì)的拉曼光波前相移評(píng)估方法。結(jié)合干涉實(shí)驗(yàn)中的原子團(tuán)擴(kuò)散與激光傳播過程,利用Zernike多項(xiàng)式將拉曼光波前進(jìn)行分解,建立了波前相移隨原子團(tuán)位置和速度分布、自由演化時(shí)間及各階Zernike多項(xiàng)式系數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)原子團(tuán)溫度和尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精確設(shè)定,測(cè)量得到不同參數(shù)組合下的干涉相移,組成以各階Zernike多項(xiàng)式系數(shù)為未知量的超定線性方程組,利用最優(yōu)估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)精度與參數(shù)組合數(shù)量和實(shí)驗(yàn)噪聲水平有關(guān),在10~6個(gè)原子對(duì)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(cè)量,Zernike多項(xiàng)式系數(shù)的估計(jì)不確定度為6%,預(yù)期波前相移的評(píng)估不確定度可達(dá)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(duì)比度提升方法。從解決原子團(tuán)溫度與干涉條紋對(duì)比度矛盾的角度出發(fā),分析了原子團(tuán)溫度對(duì)干涉條紋對(duì)比度的影響機(jī)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(jí)聯(lián)多個(gè)拉曼脈沖構(gòu)成合理的相位循環(huán)來補(bǔ)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(jì)脈沖時(shí)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(duì)比了不同序列和脈沖形狀對(duì)單一矩形脈沖的改進(jìn)效果,并從條紋對(duì)比度和相移角度討論了它們?cè)谡麄�(gè)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(tuán)的干涉條紋對(duì)比度,增加干涉儀對(duì)原子團(tuán)溫度的容忍能力,同時(shí)提高原子通量,降低噪聲極限。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O562;TH761.5

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