[发明专利]一种连续束流原子干涉陀螺仪及测量方法

说明书

本发明公开了一种连续束流原子干涉陀螺仪，包括干涉腔，还包括原子束流装置，原子束流装置包括原子腔、连接管、第一加热装置、直筒部、准直器、第二加热装置、石墨吸收装置、波纹管、真空差分管和二维横向冷却装置，本发明还公开了一种连续束流原子干涉陀螺仪的测量方法，本发明区别于冷原子束，采用热原子束，重力对其震动影响更小，同时热原子束流强度大，原子数目更多。采用毛细管，出射的原子束流高度准直，同时对二维方向进行亚多普勒冷却，可以实现更低的横向速度，实现最小的发散角。提高原子干涉陀螺仪的测量精度。

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，更具体的涉及一种连续束流原子干涉陀螺仪，还涉及一种连续束流原子干涉陀螺仪的测量方法，适用于原子惯性精密测量技术领域。

背景技术

原子干涉陀螺仪作为一种全新的精密测量装置，可以用来精确测量载体的转动信息。并且由于其灵敏度高及长期稳定性好等优点，可以广泛应用于惯性导航系统。陀螺仪和加速度计的组合可以得到载体的转动以及运动姿态和位置信息。所以惯性导航技术的发展从某些意义上讲可以等同于陀螺仪和加速度计两大惯性传感器技术的发展。为了能够更好的将原子干涉陀螺仪应用于精密测量科学与技术甚至将来利用原子干涉陀螺仪检验广义相对论效应，需要研制高精度的原子干涉陀螺仪。

原子干涉陀螺仪经过多年的发展，发展出了各种不同的类型，按照所采用的原子源温度的不同可分为原子束型原子干涉陀螺仪、冷原子团型原子干涉陀螺仪以及超冷原子团型原子干涉陀螺仪。由于激光冷却技术的发展迅速，超冷原子团虽然具有更好的相干性，但实现的技术难度比较大，目前绝大多数的原子干涉陀螺仪都采用的是冷原子源进行的，采用各种方案和手段将原子干涉陀螺仪的短期灵敏度提高到然而原子干涉陀螺的测量精度主要受限制于原子干涉环路面积和干涉条纹的相位噪声。振动噪声是限制高精度原子干涉陀螺仪的最主要因素，原子束流由于速度快，相对而言受重力的影响会更小。同时，由于原子干涉条纹的相位噪声与参与干涉的原子数目有关，原子干涉陀螺仪的灵敏度正比于1/N^1/2，相比于磁光阱技术的冷原子方案，热原子束流的方案可以将原子数目提高10⁶倍以上，因此在标度因子相同的情况下，理论上原子干涉陀螺仪的灵敏度可以显著提高。

早在2000年左右，斯坦福就利用热原子束实现原子干涉陀螺仪，只对束流进行了横向多普勒冷却，横向速度约为10cm/s，在技术上进行优化，最终将短期灵敏度提高到进一步提升了陀螺仪的性能，拥有当时原子干涉陀螺仪的最佳性能。但是为了利用原子干涉陀螺仪来检验广义相对论效应，这就要求更高的原子束流强度和更大的原子干涉环路面积，意味着原子束源的发散角要更小，只有更小的发散角才能保证经过很长的干涉区域原子扩散小，对射原子的重合度高，满足干涉条件的需求，因此我们提出了基于毛细管结构的热原子束流去实现原子陀螺仪，同时对原子炉部分采用分段加热的装置，采用毛细管结构可以对原子束流进行预冷却，大大的提高干涉仪的准直性，有利于提高原子陀螺仪的转动测量分辨率。同时采用分段加热的结构可以使得出射原子束流的强度达到10¹⁴atoms/s，相比于斯坦福的热原子束方案原子束流强度提高了3个数量级以上，并且对于出射的原子束流除了进行横向多普勒冷却以外我们同时进行了亚多普勒冷却，可以进一步降低原子横向温度，为探究利用原子干涉陀螺仪来检验广义相对论效应提供合理方案和装置。因此本发明主要针对于提高原子束流的束流强度以及降低原子的横向温度来实现更高精度的原子干涉陀螺仪。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种连续束流原子干涉陀螺仪，还提供一种连续束流原子干涉陀螺仪的测量方法，提高原子干涉陀螺仪的精度，采用毛细管并且分段加热的方案来提高原子束流强度，原子束流经过多普勒冷却和亚多普勒冷却以及选态以后，采用大尺度空间分离拉曼光去实现原子干涉，最终提取转动信号，实现高精度测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种连续束流原子干涉陀螺仪，包括干涉腔，还包括原子束流装置，原子束流装置包括原子腔、连接管、第一加热装置、直筒部、准直器、第二加热装置、石墨吸收装置、波纹管、真空差分管和二维横向冷却装置，