原子干涉陀螺仪.ppt

新型陀螺仪 原子干涉陀螺仪 原子陀螺仪的概述 基础 基于现代物理学 随着原子光学实验技术的进步 尤其是激光冷却和操控原子技术的发展而出现的物质波陀螺仪核心 基于物质波动特性而实现干涉效应的原子干涉陀螺仪原理 利用原子的德布罗意波相干形成sagnac相移公式测量角速度 世界上第一台原子sagnac陀螺仪 原子陀螺仪的优势 测量精度高分辨率最高灵敏度高 原子陀螺仪的优势 测量精度高分辨率最高灵敏度高 由量子力学公式 通过计算可知原子的德布罗意波波长比光波波长小 可测量更高精度的 原子陀螺仪的优势 测量精度高分辨率最高灵敏度高 原子的运动速度远比光速要慢 这样在相同干涉环路面积的情况下 原子干涉有更大的路程 光程 差 为角速度 A为Sagnac面积 原子陀螺仪的优势 测量精度高分辨率最高灵敏度高 原子陀螺仪是目前分辨率最高的陀螺仪 原子陀螺仪的优势 测量精度高分辨率最高灵敏度高 原子陀螺仪与光学陀螺仪的相位之比为 在相同的实验条件下 原子干涉测量转动相比用光学方法灵敏10个数量级 原子干涉陀螺仪原理 对于沿x方向传播的原子相位 为动量在x方向的分量 H为哈密顿量 在辐射场以及电场的作用下原子二能级的哈密顿量为 坐标变换以及旋转波近似解其时变薛定谔方程 当共振光作用时 跃迁概率为 原子干涉陀螺仪原理 原子干涉陀螺仪原理 微扰理论和路径积分近似可以将原子干涉仪中两路的相位差表示为 为拉格朗日的微扰量 在惯性坐标系中 原子干涉陀螺仪原理 相位移的路径积分公式有 设干涉仪闭合区域面积为A 则 从相位移公式可以看出 相比于光学Sagnac效应干涉仪 原子干涉仪Sagnac相位移会提高10个数量级 冷原子干涉陀螺仪的实现 原子冷却与囚禁原子干涉 三拉曼脉冲陀螺 四拉曼脉冲陀螺真空系统原子探测 冷原子干涉陀螺仪的实现 原子冷却与囚禁磁光阱 MOT 是目前原子陀螺中实现原子冷却与囚禁的装置 由6束圆偏振激光和1对亥姆霍兹线圈组成除了冷却和囚禁原子外 偏振梯度冷却 PGC 和移动光学黏团 movingMolasses 也是在MOT中完成的 冷原子干涉陀螺仪的实现 三拉曼脉冲陀螺仪原子干涉信号最终的相位差表示 冷原子干涉陀螺仪的实现 四拉曼脉冲陀螺仪原子干涉信号最终的相位差表示 冷原子干涉陀螺仪的实现 真空系统真空系统的设计要充分考虑原子干涉的需求 因为背景气体的碰撞会引起原子束的发散 最后导致干涉信号信噪比的下降 冷原子干涉陀螺仪的实现 原子探测原子的干涉信号不能通过传感器直接记录 而是收集激光与原子作用的共振荧光 间接探测原子数目 原子干涉陀螺仪进展和展望 法国巴黎天文台冷原子惯性测量装置对加速度的测量精度 5 5 10 7 m s2 Hz0 5对角速率的测量精度 2 4 10 7 rad s Hz0 5 原子干涉陀螺仪进展和展望 2006年 美国斯坦福大学首次实现了冷原子陀螺仪的短时高精度和长时稳定性的统一零偏稳定性刻度系数稳定性随机游走误差在量级 原子干涉陀螺仪进展和展望 2008年 美国斯坦福大学通过对光学系统进行集成化设计 是世界上第一个得到优良性能指标的冷原子干涉陀螺仪可搬运敏感部分体积小于1m3零飘稳定性 6 6 10 3 h随机游走 1 10 4 h0 5 原子干涉陀螺仪进展和展望 美国圣地亚国家实验室冷原子对抛干涉仪转速灵敏度 1 1 10 6 rad s Hz0 5加速度灵敏度 0 9 10 6g Hz0 5 单腔体原子对抛干涉仪 原子干涉陀螺仪进展和展望 加州大学伯克利分校原子干涉仪将原子干涉腔体集成到激光器的谐振腔中 干涉仪的干涉基线只有1 7mm加速度灵敏度 6 10 5g Hz0 5 激光谐振腔式冷原子干涉陀螺仪 原子干涉陀螺仪进展和展望 欧洲航天试验室与航空总署开发的原子干涉仪激光单元降低系统复杂度提高系统可靠性扩大适用范围降低噪声 原子干涉陀螺仪进展和展望 冷原子陀