[发明专利]一种冷原子束干涉陀螺装置

说明书

技术领域

本发明属于惯性测量领域的干涉陀螺装置，特别涉及一种冷原子束干涉陀螺装置。

背景技术

目前，三光学光光栅的Mach-Zehnder型原子干涉仪主要有两种：

1)热原子束的空间型原子干涉仪，如文献1：T.L.Gustavson，P.Bouyer，M.A.Kasevich，Phys.Rev.Lett.，1997，78：2046-2049所记载。

2)脉冲冷原子云团的时间型原子干涉仪，如文献P.Cheinet，B.Canuel，F.Pereira Dos Santos，A.Gauguet，F.Leduc，A.Landragin，IEEE Trans.Instrum.Meas，2008，57：1141-1148所记载。

对于第一种热原子束原子干涉仪，采用的原子束的纵向速度较大(纵向速度即原子束前进方向上的运动速度，通常＞200m/s)，但针对原子干涉仪对良好信噪比以及检测精度的要求，根据Sagnac效应，利用冷原子束(速度＜30m/s)可以显著提高原子干涉仪的性能。自从70年代后期以来，人们利用光场对中性原子的辐射压力作用，采用激光对原子进行冷却(降低速度)，把原子从每秒数百米甚至上千米的速度降低到每秒数厘米到数十米的速度，并进而对原子进行捕获。针对原子干涉仪，冷原子束相对热原子束具有如下优势：

1)在干涉仪应用中，与热原子束较短的飞行时间(～1ms)相比，冷原子束具有相对较长的飞行时间(～0.5s)，具有更长的作用时间，从而使干涉仪的干涉臂所围绕的有效面积得到提高，进而获得了更大的干涉相移，提高了干涉仪灵敏度；

2)冷原子束具有更窄的速度分布，相干性更好，可以提高干涉信号的对比度和可观测干涉条纹的数目。

同时，在原子干涉仪应用中，连续出射的原子束相对脉冲原子云团具有如下优点：

1)输出信号带宽更宽，一般为约100Hz，大于脉冲原子云团的几赫兹水平；

2)基于原子束构建的原子干涉仪，其系统调节及参数优化更方便；

3)原子束的高带宽允许将干涉仪信号高频噪声快速平均予以剔除。

目前，利用原子干涉仪测量转动的应用中，性能最好的是T.L.Gustavson等人(T.L.Gustavson，A.Landragin，M.A.Kasevich，Class.Quantum Grav.，2000，17：2385-2398)的热原子束陀螺仪，其转动测量短期灵敏度为6×10^-10rad/s/Hz^1/2。如果改用冷原子束，短期灵敏度有望提高一个数量级。所以，综合原子束的连续性和冷原子的慢速性两方面优势，冷原子束干涉仪相比上述两种干涉仪更具有优势。

目前，原子干涉仪测量转动信号的提取方法主要有两种：一种方法采用压电陶瓷驱动原子干涉仪固定的平台转动，获得转动角速度的测量方法。如文献1：T.L.Gustavson，P.Bouyer，M.A.Kasevich，Phys.Rev.Lett.，1997，78：2046-2049所记载。该方法需要增加震动隔离，对环境要求较高等缺点。另外一种方法，也是采用对原子干涉仪进行相位调制，通过拟合干涉信号的包络线来确定转动角速度。如文献2：T.L.Gustavson，A.Landragin，M.A.Kasevich，Class.Quantum Grav.，2000，17：2385-2398所记载。该方法虽然对环境要求不高，但是由于是从拟合包络线来确定转动角速度，因而精度较低。

由于现有技术存在对环境稳定性要求高和测量精度不高的缺点，因此希望获得一种克服上述缺点的冷原子束干涉陀螺装置。

发明内容

本发明的目的在于：克服目前现有的脉冲型冷原子源和热原子束在原子干涉仪应用中的不足；克服原子干涉仪对环境稳定性的高要求和信号提取精度不高的缺点，而提供一种冷原子束干涉陀螺装置，该装置具有获得光学特性良好、通量较大、能态一致、结构紧凑、性能稳定，对环境要求低、能够提取相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号，转动信号采样速度高、线性度好、动态范围大。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

原子干涉仪构成实质一般概括为以下五个步骤：(1)制备原子初始态；(2)对原子波包进行相干分离，分离为两个或更多态；(3)分别对两个态原子施加不同的干扰，干扰的不同一般由两个态原子在空间位置的不同所致；(4)对这些原子成份进行相干合并；(5)检测干涉条纹的相位变化。