原子惯性器件的基本工作原理及主要特点分解PPT学习教案

1、会计学1 原子惯性器件的基本工作原理及主要特原子惯性器件的基本工作原理及主要特 点分解点分解 第1页/共22页 第2页/共22页 第3页/共22页 采用原子陀螺的相关技术具有实现超高精度的、 具有重力梯度补偿和高精度时频基准的集成惯性导 航系统，实现惯性导航的全部功能的潜力，这也是 原子惯性导航系统成为未来惯性导航系统首选的主 要原因。 原子陀螺仪是以原子干涉仪为核心的转动测量装 置，它利用原子干涉的Sagnac效应进行转动角速度的 测量。原子干涉仪本质上是依赖于原子的波动性，由 于原子的德布罗意波短，所以原子干涉仪可以进行很 多物理量的高精度测量，其中包括转动量。 第4页/共22页 第5页/

2、共22页 原子陀螺仪的结构组成原子陀螺仪的结构组成 第6页/共22页 Mach-Zehnder型原子干涉仪型原子干涉仪 这是一个这是一个Mach- Zehnder型原子干型原子干 涉仪，在这种类型涉仪，在这种类型 的干涉仪中，一个的干涉仪中，一个 1:1 分束器将入射分束器将入射 波分为均等的两份波分为均等的两份 ，然后利用反射镜，然后利用反射镜 分别使两束波改变分别使两束波改变 方向，最后将它们方向，最后将它们 在另一个在另一个1:1 的分的分 束器中重合。束器中重合。 第7页/共22页 原子干涉仪的情况与上述情况类似。它利用 操控良好的激光光束实现原子的分束和反射 。按照原子光学，分光器和

3、反射镜分别由 和/2 脉冲来实现，如右上图所示，两个输 出端的原子数与每次相互作用时的激光相位 有关，该相位因两束原子受外场的作用而改 变。例如，在最后的/2 脉冲之前沿着光束 方向的加速使原子跑到光场的反节点中，导 致两原子路径相互作用中包含由加速度引起 的相位变化，如右下图所示，因此只要测出 原子干涉花样产生的相移，就能测出加速度 的变化，它的分辨率至少比光纤高几个数量 级。这里必须指出的是这种干涉是原子内态 的干涉，即表现形式是原子态的变化。 原子干涉图 有加速时原子干涉图 第8页/共22页 A 2 )/(mh dB 第9页/共22页 c A laser 2 Am atom 2/h 第1

4、0页/共22页 h mcmc laser atom 22 2 由上式可知，如果将氦-氖激光与铯原子进行比较， 在相同的闭合干涉仪面积和角速度情况下，原子干 涉相移是激光干涉相移的 6 1010倍，也即对应的原 子陀螺仪式激光陀螺仪灵敏度的6 1010倍。 第11页/共22页 但是由于光学干涉仪有自身的优势，如环形 激光陀螺仪可以得到更好的分束和反射器件，或 者光纤陀螺仪可以通过多圈的光纤增加干涉路径 ，由此可以得到更大的有效干涉面积，所以上述 原子干涉仪在灵敏度方面的优势在某种程度上被 抵消。 Scully和Dowling基于量子力学的推导，考虑原子 波传播过程中噪声等影响，理论上得到原子陀螺

5、 仪的灵敏度可以达到环形激光陀螺的 104倍。这种 在灵敏度上数量级的差异也是开展原子陀螺仪研 发的主要动力。 第12页/共22页 性能性能指标指标 零漂60 /h 噪声（ARW）3 /h1/2 标度因子5ppm 表表1 美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到的性能指标美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到的性能指标 目前已公布的数据中，美国斯坦福大学获得的 原子陀螺仪达到了最好的性能指标 第13页/共22页 研究小组研究小组 性能性能 斯坦福大学斯坦福大学 （美国）（美国） 汉诺威大学汉诺威大学 （德国）（德国） 巴黎天文台巴黎天文台 （法国）（法国） 原子通量原子通量/(at/s)109108108 干涉长度干涉长度/cm200153 转动测量灵敏度转动测量灵敏度 /(rad/sHZ1/2) 610-10210-92.610-6 表表2 世界个研究小组的原子陀螺仪的相关性能特性世界个研究小组的原子陀螺仪的相关性能特性 第14页/共22页 第15页/共22页 巴黎天文台研制的有巴黎天文台研制的有2个磁光陷的超灵敏原子陀螺模型个磁光陷的超灵敏原子陀螺模型便携式冷原子陀螺仪便携式冷