PDF《新一代惯性导航技术： 冷原子陀螺仪》

2 , 当原子与第三个拉曼光脉冲作用时, 初态的原子有一半的几率继续呆在初态, 有一半 收稿日期:

2010 07

06 基金项目: 国家基础研究发展规划( 课题号: 2005CB724505) 和国家自然科学基金( 项目编号: 10774160, 11004227) 资 助的课题

1 2010. 4/ 全球定位系统 的几率发生跃迁而呆在激发态, 同样, 激发态的原 子有一半的几率继续呆在激发态, 有一半的几率发 生跃迁而呆在初态, 他们均获得激光的相位

3 , 因此, 原子经过三个拉曼脉冲作用后原子内态为初态 和激发态的相干叠加态, 原子在初态或激发态的几 率为 p= [

1 cos(

1 -

2 2 +

3 ) ] /

2 ( 1) 从公式( 1) 可以看出, 拉曼光的相位参与到原 子内态的布居数变化上, 当扫描任意一个拉曼光相 位时, 可以得到原子干涉条纹.

2 冷原子陀螺仪 类似于光学陀螺仪中的萨格奈克效应, 在原子 干涉仪环路中, 原子感受到科里奥利加速度, 旋转 引起的相移和旋转速度的关系表示成 ! = 2kef f ! ( ! v) L2 v2 ( 2) 在这里 kef f 为拉曼光的有效波矢;

v 为原子的 速度;

L 为拉曼光脉冲间隔.从式( 2) 可以看出, 当 原子的速度相反时, 旋转引起的相移也相反, 因此, 原子速度方向相反的双原子干涉环路陀螺仪可以 消除重力加速度等因素对旋转测量的影响. 冷原子陀螺仪的原理示意图如图

1 所示, 囚禁 在两个磁光阱中的冷原子团以相反方向沿着相同 的抛物线轨迹形成冷原子束, 经过态制备后的原子 在其中一个基态作为初始态, 用受激拉曼激光形成 / 2- - /

2 的拉曼脉冲形成 M Z 干涉环路, 通 过扫描其中一个拉曼脉冲的激光相位, 用激光诱导 荧光测量另一个基态的布居数分布可以得到两个 原子干涉条纹. 图1冷原子陀螺仪原理示意图 从式( 1) 可知, 对于双环路原子干涉陀螺仪, 每 一路原子干涉条纹信号可分别写成 p1 = [ 1- cos( L + R +

0 ) ] /

2 p2 = [ 1- cos( L - R +

0 ) ] /

2 式中: L 为拉曼激光与原子相互作用相位;

R 为 旋转速率引起的相位;

0 为所有共模因素引起的 相位, 作为原子干涉初相位处理, 双环路原子干涉 相移差的一半即为旋转速率引起的相移, 利用式 ( 2) 可以提取旋转速率.冷原子陀螺仪的实现包括 以下几个技术途径: 物理系统, 光学系统, 电路系 统. 2.

1 物理装置 冷原子陀螺仪的物理装置采用两个正十面体 用于磁光阱来囚禁冷原子, 两对长方形的玻璃窗口 用于冷原子初态的制备, 一对长方体窗口用于冷原 子的激光诱导荧光探测, 一对圆形窗口用于拉曼脉 冲对冷原子的相干操作.铷原子经过加热后进入 磁光阱, 分别用一对反赫姆核磁线圈和六对正交的 激光束对原子进行冷却, 将原子分别囚禁在两个磁 光阱中, 用移动光学黏胶技术控制冷却光的上下失 谐上抛原子, 形成两个沿着方向相反、 轨迹相同的 抛物线轨迹, 拉曼操作可形成两个干涉环路. 2.

2 光学系统 冷原子陀螺仪的光路系统采用自主研制的分 布反馈注入放大半导体激光器作为光源[ 20] , 经过 三级声光调制器后作为冷却囚禁光, 第一级声光调 制器将激光频率上调, 第二级声光调制器经过两次 移频后将频率下调, 前两级声光调制器由模拟射频 电路控制, 对其激光的频率和强度进行扫描作偏振 梯度冷却以降低原子的温度, 第三级声光调制器经 过两次移频后将激光频率上调, 用直接数字频率综 合器射频电路控制原子上抛速度. 分布反馈注入放大( DFB) 半导体激光器的主 激光器采用商品激光管, 电流温度控制所需的电路 都是自主研制, 电流控制电路最大输出