高精度冷原子重力仪噪声与系统误差研究

【摘要】近二十年来,基于原子干涉的新型惯性传感器得到飞速发展,譬如原子重力仪、原子陀螺仪、原子重力梯度仪等。这些传感器的高稳定性、高灵敏度、高重复率以及潜在的高精度引起了人们的广泛关注,它们在基础科学和应用科学都有着非常广阔的应用前景。早期的原子重力仪体积庞大,只能在实验室环境下工作,人们一直尝试设计紧凑的、可移动的小型化原子重力仪。小型化的原子重力仪可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域。最近,随着新技术的快速发展,小型化的原子重力仪不再是遥不可及的东西,目前它们的性能已经可以和传统最好的惯性传感器相媲美。未来,这些小型化的仪器将用在可移动的平台上进行重力测量,譬如飞机、车辆、舰艇甚至卫星。最近,我们设计并实现了一台高精度的原子重力仪。本论文讨论该重力仪的实验实现过程,并对其主要的噪声源和系统误差进行了详细分析。原子重力仪的主要噪声源包括后向反射镜振动噪声、拉曼光相位噪声、量子极限噪声、探测噪声、拉曼光光强噪声等,其中后向反射镜振动噪声和拉曼光相位噪声是主要的噪声源。系统误差主要包括二阶塞曼频移、射频信号引起的相移、单光子光移、双光子光移、科里奥利力引起的相移及拉曼光波前弯曲引起的相移等等,我们将在文中一一叙述。目前,在脉冲间隔时间T等于60ms且重复率为2.2Hz的情况下,该重力仪的测量灵敏度可达1.1×10-8g@200s,在此基础上,我们利用该重力仪连续测量了128小时的潮汐信号。另外,我们的原子重力仪还测量了2013年发生的巴基斯坦地震产生的完整地震波信号,这个信号与传统地震仪测量到的地震波信号非常吻合。最后,实验上还测量了本地绝对重力加速度值gabs=(9.793346±2)m/s2,测量精度约1×10-7g。该重力仪目前的性能可以满足大多数重力测量实际应用的要求,为实用型小型化原子重力仪的实现奠定了良好基础。下面对论文各章的主要内容进行介绍：第一章介绍了原子重力仪的研究背景。首先阐述了重力测量的历史及现状,并比较了几种重力仪的性能。另外,讨论了高精度重力仪在诸多领域的应用前景,并介绍了原子重力仪的最新进展情况。第二章阐述了原子重力仪的理论基础。首先引入受激拉曼跃迁理论,解释双光子跃迂和共振条件,并介绍实现原子物质波分束与合束的拉曼脉冲。随后介绍三脉冲原子干涉仪,并推导原子物质波包在两条干涉路径上积累的位相差,得到它与重力加速度g的关系。最后,引入干涉仪灵敏度函数为分析原子重力仪噪声做准备。第三章主要描述了原子重力仪的实验实现过程。先介绍主要的实验装置,包括光学系统、真空系统、磁场系统以及计算机控制系统。然后,简单介绍原子干涉的实验步骤,包括冷原子团制备、选态、干涉仪构建、归一化探测。最后给出实验的结果,主要包括重力测量的灵敏度及精度、长时间潮汐监测信号、绝对重力加速度值以及地震波信号等。第四章分析了原子重力仪主要的噪声源。首先介绍原子重力仪信噪比评估方法,推导条纹信噪比与重力测量分辨率之间的关系。然后研究干涉条纹斜坡上的相位灵敏度,认识幅度噪声和相位噪声。最后分析原子重力仪主要的噪声源,包括振动噪声、拉曼光相位噪声、量子极限噪声、探测噪声、拉曼光光强噪声等。第五章评估了原子重力仪的系统误差。首先引入系统误差评估方法,按照是否与拉曼光波矢方向有关分离出各个系统误差。通过不同测量配置方法可以提取固定的系统误差,并评估其大小。最后介绍环境引起的重力加速度变化,并讨论其对绝对重力加速度值评估的影响。第六章总结了原子重力仪的实验结果及目前存在的问题,并对其未来的前景作了展望。
【作者】吴彬；
【导师】林强；王兆英；徐云飞；
【作者基本信息】浙江大学，光学，2014，博士
【关键词】原子干涉仪；原子重力仪；受激拉曼跃迁；原子物质波；噪声分析；系统误差；

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