[发明专利]一种基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法

说明书

本发明涉及一种基于常温玻色—爱因斯坦凝聚态(BEC)相干涡旋叠加态的量子干涉方法。利用垂直腔面激光发射器产生相干叠加态的涡旋光；将此涡旋光引入常温激子—极化声子BEC中，产生相干涡旋叠加态的物质波；再根据Sagnac原理，利用CCD装置对该常温BEC中的物质波进行相位检测而得到相位差，从而计算出常温激子—极化声子BEC的旋转角速率。本发明采用激子与极化声子实现常温条件下的BEC，有效的解决了激光冷却装置装置过大、价格高昂的问题，减小整体实验装置的体积；同时，本发明将光的Sagnac干涉转变为物质波的Sagnac干涉，既能使德布罗意波长变短，又能减小Sagnac干涉所需的环形面积。本发明属于量子陀螺技术领域，可应用于基于常温BEC的量子陀螺的设计。

技术领域

本发明涉及一种基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法，适用于量子陀螺领域，提高稳定性与灵敏度。

技术背景

自19世纪末到现在，陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在军、民用领域发挥着重要的作用。传统概念的陀螺是通过转子转动产生动量矩来敏感陀螺壳体相对惯性空间的角运动，但是由于摩擦等因素，灵敏度和精度较低。光纤陀螺和激光陀螺通过Sagnac效应，这种陀螺不再拥有高速旋转的转子，而是基于新型的物理机理来完成壳体相对惯性空间的运动测量，但是由于稳定性差且灵敏度与体积有关，致使发展遇到瓶颈。近年来随着低温物理学等领域的快速发展，出现了一系列新型的超高精度超高灵敏度陀螺，比如原子陀螺和量子陀螺。

原子陀螺主要包括原子自旋陀螺和原子干涉陀螺。其中，原子自旋陀螺又包括原子SERF陀螺和核磁共振陀螺两类。在原子自旋陀螺中，原子间的碰撞必然存在，从而不可避免地影响和制约了陀螺仪的精度。原子干涉陀螺则是利用光的Sagnac原理，利用原子团射入激光对射形成的光栅中从而进行相位检测，但是稳定性不足，而量子陀螺的研究对象是基于玻色-爱因斯坦凝聚理论形成的超流体，由于超流体的粘滞系数、流体间以及流体对周围运动产生的阻尼很小，当超流体腔体发生运动时，超流体可以保持其原来的状态。利用这一特性可以制造一个物理的惯性空间。因此，基于超流体的新概念陀螺在原理上可以进行高精度的惯性测量，预计精度可达到10^-12rad/s，尤其适用于超高精度姿态测量场合。

1995年玻色-爱因斯坦凝聚的实验实现，使得以前只能在液氦中进行研究的超流现象可以直接通过囚禁低温碱金属原子而进行研究。但是，由于激光冷凝装置体积过大并且价格高昂，并不能普遍应用；2010年在半导体微腔内通过强烈的激子耦合实现极化声子凝聚态，该凝聚态有大多数玻色-爱因斯坦凝聚态的特性，例如，超流体性、稳定涡旋的形成、高的空间相干性，并且临界温度高，克服了激光冷凝技术的难题。因此探索基于常温极化声子凝聚态的量子陀螺的高稳定性和高灵敏度实现方案具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服光纤陀螺和原子陀螺中，体积过大和激光冷却技术的问题。通过在常温BEC中产生稳定的相干正反涡旋叠加态并利用环形势阱以及亚稳凝结技术，提高量子陀螺系统的稳定性和灵敏度。

本发明的技术解决方案是：利用垂直腔面激光发射器，产生相干叠加态的涡旋光；利用相干叠加态的涡旋光在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波；再根据Sagnac原理，利用CCD装置对该常温BEC中的物质波进行相位检测而得到相位差，最终结算出常温BEC的旋转角速率。该方法使干涉陀螺的灵敏度得到提高，同时制作成本减低，并且体积小，因而提高量子陀螺的整体性能。

具体包括以下步骤：

(1)利用垂直腔面激光发射器，产生相干叠加态的涡旋光

通过设计垂直腔面激光发射器中的螺旋相位板，使该螺旋相位板的内圆为|+l>、外圆为|-l>，其内圆的直径为整个螺旋相位板直径的44.6％，最终产生|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光；

(2)在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波