冷原子干涉仪及空间应用

1引言波干扰是自然界的一个基本特征。光是电磁波，光的干涉现象早已为人所知。根据量子理论，任何微观粒子(如电子中子原子分子)都具有波粒二象性，微观粒子的涨落(称为物质波或德布罗意波)用波函数描述，并服从薛定谔方程。物质波也满足线性叠加原理。连贯。自1991年实现脉冲原子干涉仪以来，原子干涉仪已广泛应用于精密测量领域。典型的应用包括重力加速度测量、重力梯度测量、旋转速率测量、地球旋转速率测量、牛顿重力常数测量、精细结构常数测量等。用原子干涉仪验证等效原理和原子干涉仪在空间的应用引起了人们的关注。原子干涉仪本质上是基于物质波动特性的原子波包的相干操作。原子波包被相干分割并组合形成两条或多条路径。观察这些无法分辨的路径会产生干涉条纹。操作原子波包的模式包括由激光驻波和受激拉曼相干分束原子形成的衍射光栅结构。因为原子物质波与光波具有不同的固有特性，所以基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计可以实现比激光陀螺仪或激光加速度计高得多的灵敏度。理论上，分别求解光波和物质波的薛定谔方程。在相同的环路面积条件下，原子陀螺仪的灵敏度与光学陀螺仪的灵敏度之比是r陀螺仪= mc2hν = λ λ λ de BCV，(1)其中c是真空中的光速，λ是光波的波长，ν是光的频率，υ是原子的运动速度，m是原子的质量，λ deb = h/mυ是原子的德布罗意波的波长。因为λdeBλ和υ c，在典型条件下，r陀螺~1010，即原子陀螺的固有灵敏度可以比相同面积的激光陀螺高10个数量级。这是因为从长远来看，物质的波长小于可见光的波长，所以原子干涉仪比激光干涉仪对较小的变化更敏感。此外，由于原子的运动速度比光速慢得多，在原子陀螺仪中，原子在同一干涉路径上飞行时会经历更长的旋转，从而产生更大的条纹运动。类似的分析表明，原子加速度计对光学的固有灵敏度之比是 R加速度= 2c 2hνCV = 2λDeb(CV)2。(2)典型条件下的。比率达到1017。原子干涉的历史可以追溯到20世纪初。1924年，汉勒研究了原子蒸气[中持续几十纳秒的原子相干叠加态。随着原子束技术的发展，斯特恩-格拉赫磁场被用来选择和保存特定量子态的原子。1938年，拉比利用射频共振技术实现了原子内部量子态的变化。1949年，拉姆齐长期实现了原子中量子态的相干叠加，并利用分离振荡场技术实现了原子中量子态的相干运算。这给实际应用带来了重大变化。典型的应用包括原子频率标准、核磁共振光谱和量子信息。随着冷原子技术的发展，利用冷原子的原子干涉仪发展迅速。1991年，褚利用受激拉曼脉冲序列对冷原子的内部量子态进行操作，使原子波包相干分裂、反射和合并，通过波包*演化后的原子内部量子态来测量原子的外部量子态，从而实现了受激拉曼跃迁型原子干涉仪。1997年，朱棣文使用原子陀螺仪实现了10-8(弧度/秒)/赫兹的旋转精确测量。法国巴黎大学实现了冷原子自旋偏振干涉仪。美国耶鲁大学在2000年实现大面积光脉冲原子干涉仪后，于2002年实现了灵敏的重力梯度仪。灵敏度达到10-9g/Hz。目前，世界上最灵敏的原子干涉陀螺是由热原子束实现的。热原子束的优点是原子多，可以获得较高的信噪比。在提高灵敏度方面，要获得更大的干涉环面积，需要增加长度或降低原子速度。热原子束的速度非常高，通常为每秒几百米，冷原子的速度可以精确控制在每秒几米左右。它在系统集成和小型化方面具有明显的优势。冷原子陀螺仪通常在双环原子干涉仪的配置中实现[5]。它的优点是可以使系统小型化，同时可以抑制共模噪声，并且可以容易地提取旋转相移。重力加速度引起的相移为δ = 12 (Keff × g) T2，t为拉曼脉冲时间间隔，通过降低原子速度可以增加相移。因此，冷原子在测量重力加速度方面比热原子有明显的优势。原子干涉仪的2个原理。光或原子的波动和干涉可以通过图1所示的著名的杨氏双缝实验来证明。这也是原子干涉仪的基本原理。也就是说，无法区分的两条路径的概率振幅的叠加将导致干扰。原子干涉仪的操作通常分为几个步骤:制备原子波包相干光束分裂原子波包*演化原子波包相干光束结合原子末端状态检测。下面以拉曼型原子干涉仪为例，介绍原子干涉仪的基本物理原理和相关应用。在原子干涉仪中，原子波包被相干分裂和合并。起初，原子干涉仪被设计成类似于光波的杨氏双缝干涉仪实验[20，21]。然而，激光对原子的机械效应使原子在吸收或激发辐射光子的同时获得光子反冲动量，从而分裂和组合原子波包。受激拉曼过程用于相干操作原子波包以获得双光子反冲动量，从而增加原子干涉环的面积。提高原子干涉仪的灵敏度。4原子干涉仪在精密测量中的应用冷原子由于质量大、传播时间长，在精密测量中具有独特的优势。作为惯性传感器，原子干涉仪可以与其他最好的惯性传感器相媲美。用原子干涉仪作为惯性传感器，测量重力加速度的分辨率可达2×10-8(g)/Hz。重力梯度仪的分辨率达到4×10-9(g/m)/Hz，牛顿重力常数测量的不确定度达到0.003×10-11 m3·kg-1s-2·[9，10]，原子陀螺的灵敏度达到1.4×10-10rad/s，热原子束的偏置稳定性达到7× 10-5(度)/h。短期噪声达到3× 10-5 ()/h，冷原子陀螺仪灵敏度在10分钟内达到1.4×10-7rad/s.5原子干涉仪空间应用。斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构对原子陀螺仪进行了深入的科学研究。美国宇航局启动了空间原子重力梯度仪的开发计划。为了准确测量地球重力场，欧洲航天局(欧空局)启动了超精密冷原子干涉计划，该计划首次使用原子干涉仪作为加速度和旋转传感器来控制航天器(与卫星定位系统一起使用)，同时对重力磁效应和量子重力进行科学研究。包括精细结构常数的测量和物质波相干性的实验。HYPER的第一个卫星任务是使用冷原子干涉仪作为惯性传感器来控制航天器。使用四个原子干涉仪形成两个双环原子陀螺仪，以测量两个正交方向上的加速度和旋转。激光控制原子的速度，使两个原子陀螺仪以不同的方式工作:粗测和精测。粗略测量的灵敏度为10-9弧度/秒，用作姿态和轨道控制系统(AOCS)；精细测量的灵敏度为10-12拉德/秒，用于测量重力效应。精细结构常数的超独立测量不依赖于量子电动力学，并且有望增加一个数量级，用于比较量子电动力学的结果。HYPER将进行引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和量子引力实验。6摘要:使用原子干涉仪可以进行精确的物理测量。例如，旋转加速度、加速度梯度等。因此，原子干涉仪在地下掩体导航定位、勘探和石油勘探等方面具有广阔的应用前景。原子干涉仪性能的进一步提高将受到两个方面的限制:(1)由于重力的影响，原子的飞行时间有限，飞行路径包含的面积很小，这就难以进一步提高灵敏度；(2)在原子动量波动较大的情况下，原子束不能均匀地分成两路，降低了干涉条纹的对比度。因此，除了改进现有的原子干涉仪方案外，开发新技术来解决上述两个问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势。这包括改进原子束源和找到操纵原子的新方法。在原子束源方面，利用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干涉仪研究，比在普通磁光阱中使用冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比。在原子操控方面，原子微结构的磁俘获和磁导向可以大大提高人们对原子的操控能力，有利于小型化原子干涉仪的发展。