PDF《新一代惯性导航技术： 冷原子陀螺仪》

新一代惯性导航技术: 冷原子陀螺仪 李润兵, 王谨, 詹明生 ( 中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室, 湖北 武汉 430071) 摘要: 本文介绍了冷原子陀螺仪的实验研究进展, 通过直接数字频率综合电路精确控 制冷原子的运动轨迹, 形成双向对抛的冷原子束, 利用拉曼激光脉冲相干操作双向对抛的冷原 子, 实现了双环路冷原子干涉条纹, 该构型将消除拉曼激光相位等不确定因素引起的共模噪 声, 同时消除重力加速度等初始相位对绝对转动速率测量的影响, 以提高冷原子陀螺仪的灵敏 度和测量精度, 冷原子陀螺仪将在新一代惯性导航技术中开辟全新的技术途径.

关键词: 冷原子;

原子干涉;

冷原子陀螺仪;

惯性导航 中图分类号: TN

96 文献标志码: A 文章编号:

1008 9268( 2010)

04 0001

05 0 引言物质波的干涉特性在精密测量中有着潜在的 应用[ 1] , 自从

1991 年斯坦福大学朱棣文小组实现 脉冲式原子干涉仪以来[ 2] , 原子干涉仪在重力加速 度测量 [

3 4] , 牛顿引力常数测量 [

5 8] , 精细结构常数 测量[ 9] , 旋转速率测量和地球自转速率测量[

10 12] 等 方面得到了广泛的应用, 目前国际上热原子干涉仪 测量转动的灵敏度达到了 6.

0 10 -

10 rad/ s [

10 11] , 冷原子干涉仪测量转动的灵敏度达到了 1.

4 10-

7 rad/ s [

12 13] .在实际应用中, 冷原子较热原子 具有更小的速度及其速度分布, 利用冷原子实现的 冷原子陀螺仪在小型集成化及其惯性导航领域的 应用中更具有优势, 因此, 冷原子陀螺仪的实验研 究有着重要的意义. 介绍了原子干涉仪的基本物理原理、 冷原子陀 螺仪的物理装置、 小型化集成光路、 主要电路系统 及其冷原子陀螺仪的实验进展, 将分布反馈半导体 激光器( Distributed Feedback, DFB) 注入锥形放 大半导体激光芯片( T ampered Amplified, T A) , 研制出输出功率为

1 W 的分布反馈注入放大半导 体激光器, 其频率稳定性在

1 M Hz 以内, 该激光器 用于原子的激光冷却和囚禁, 研制出直接数字频率 综合器( Direct Digital System, DDS) , 其频率分辨 率在

1 Hz, 用DDS 射频电路控制声光调制器( A cousto Optic Modulator, AOM ) 的频率来精确控 制囚禁光束的频率失谐, 通过调节直接数字频率综 合器和冷却光的相关参数, 精确地控制冷原子的轨 迹, 实现了冷原子的双向对抛, 其温度小于

30 K, 利用拉曼光相干操作冷原子实现了双环路的冷原 子干涉条纹, 其干涉条纹对比度分别为 37% 和22% .通过消除共模噪声和重力加速度等初始相 位对绝对转动速率测量的影响, 我们将实现冷原子 陀螺仪.

1 原子干涉仪 拉曼型原子干涉仪通常采用 / 2- - /

2 构型[14 19] , 第一个 /

2 拉曼脉冲和原子相互作用时 原子相干分束, 拉曼脉冲和原子相互作用时, 两 个态的原子发生布居数互换的同时都获得了双光 子反冲动量, 原子相干反射, 第二个 /

2 拉曼脉冲 和原子相互作用时, 原子合束发生干涉.在原子干 涉过程中, 初始态的原子经过第一个拉曼脉冲实现 分束时, 原子有一半的几率继续呆在初态, 有一半 的几率发生跃迁而呆在激发态, 在激发态的原子同 时获得激光的相位

1 , 形成一个相干叠加态, 当原 子与第二个拉曼光脉冲作用时, 原子正好感受到一 个 的跃迁, 原子布居数发生交换的同时均获得激 光的相位