可搬运高精度原子干涉陀螺仪_陈红辉.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-11-15基金项目:国家重点研发计划(编号:2016YFA0302002);国家自然科学基金(编号:11674362，91536221，91736311);中国科学院战略先导研究计划(编号:XDB21010100);湖北省杰出青年科学基金(编号:2018CFA082)可搬运高精度原子干涉陀螺仪陈红辉1，2，姚战伟1，陆泽茜1，2，毛寅飞1，2，李润兵1，3，王谨1，3，詹明生1，3(1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室，武汉 430071;2.中国科学院大学，北京 100049;3.武汉量子技术研究院，武汉 430206)摘 要:冷原子干涉陀螺仪具有灵敏度高和长期稳定性好等特点，将在长航时高精度惯性导航等领域具有重要的应用前景。介绍了一种可搬运的高精度冷原子陀螺仪，初步实现了物理系统与光学系统的集成，体积分别为 0.24m3和 0.04m3，整机测试的角随机游走系数为 5.3 104()/h1/2，零偏稳定性达到了 2.0 104()/h 23000s。通过对装置整体优化后，实现了从武汉到北京长达 1250km 的搬运，在长距离运输后陀螺仪具有良好的稳定性。在北京比测结果中，角随机游走系数为 3.1 104()/h1/2，零偏稳定性为 3.6 104()/h2000s。关键词:原子干涉仪;原子干涉陀螺;惯性导航中图分类号:O439/O59文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)04-02186doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.005Transportable High-precision Atom-interferometer GyroscopeCHEN Hong-hui1，2，YAO Zhan-wei1，LU Ze-xi1，2，MAO Yin-fei1，2，LI un-bing1，3，WANG Jin1，3，ZHAN Ming-sheng1，3(1.State Key Laboratory of Magnetic esonance and Atomic and Molecular Physics，Innovation Academyfor Precision Measurement Science and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071;2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049;3.Wuhan Institute of Quantum Technology，Wuhan 430206)Abstract:Cold-atom-interferometer gyroscope has characteristics of high sensitivity and good long-term stability，which makes it have an important application prospect in the long-endurance and high-precision inertial navigation.In thispaper，a transportable high-precision cold-atom-interferometer gyroscope is introduced.This gyroscope preliminarily realizesthe integration of physical system and optical system，with the volume of 0.24m3and 0.04m3respectively.The angular ran-dom walk coefficient and the bias stability are measured，and they are 5.3 104()/h1/2and 2.0 104()/h23000s.After the device is optimized，it is transported from Wuhan to Beijing as long as 1250km.The gyroscope reveals a high sta-bility after long-distance transport with an angular random walk coefficient of 3.1 104()/h1/2and a bias stability of3.6 104()/h2000s measured in Beijing.Key words:atom interferometer;atom-interferometer gyroscope;inertial navigation第 5/6 期陈红辉等:可搬运高精度原子干涉陀螺仪0引言波粒二象性表明普通物质粒子能够表现出与光相同的波动特性，比如干涉、衍射等现象。从那时起，物质波干涉已被证实存在于各种物理体系中，包括电子1、中子2、原子3-6甚至生物分子7。随着 20 世纪 80 年代激光技术的出现，冷原子技术取得了长足的发展，基于激光操作原子技术，观察到原子干涉现象，由此研制的冷原子惯性器件已经达到了与传统惯性传感器相匹敌的能力8-10。由于冷原子体系具有相干性好、操控性强和长期稳定好等特点，基于冷原子干涉技术，可实现高精度原子干涉陀螺仪，有望被应用于惯性导航11、地球自转参数监测、地震旋转波研究12和 Lense-Thirring 效应检验等领域。然而，在导航定位、野外台站监测等实际应用场景中，要求陀螺仪具有可搬运的特点。近年来，冷原子干涉陀螺仪的研究进展迅速。例如，2014 年，美国新墨西哥大学的研究小组实现了对冷原子团的重捕获技术13，提高了冷原子干涉陀螺仪的采样率;2016 年，法国巴黎天文台的研究小组利用交叉操作14，消除了冷原子干涉陀螺仪的死时间;2018 年，法国巴黎天文台的研究小组通过提高交叉操作的效率，实现了四脉冲的冷原子干涉陀螺仪15;同年，本文研究小组报道了三脉冲的冷原子干涉陀螺仪，演示了对地球自转的测量16;2021 年，本文研究小组通过高精度对准拉曼激光，构建了一个更大环路面积的冷原子干涉陀螺仪17。冷原子干涉陀螺仪在实验室的精 度 已 经 与 精 度 最 高 的 光 纤 陀 螺 仪 相当10，15，17-18，但在实验室条件下，冷原子干涉陀螺仪一般体积庞大，对振动、温度、湿度、气压等外界环境的要求极高，并不能满足应用场景中陀螺仪可搬运的需求。到目前为止，国际上还没有关于冷原子干涉陀螺仪可搬运实验的报道。研制出可搬运高精度冷原子干涉陀螺仪对于其走向实际应用显得尤为重要和紧迫。本文报道了一种可搬运高精度冷原子干涉陀螺仪。为解决工程应用中原子干涉陀螺尺寸与性能相互制约的问题，本文提出一种集成化的方案，设计并实现了紧凑的物理系统与光学系统，研制出可搬运高精度原子干涉陀螺仪样机。通过测量地球自转引起的Sagnac 相移，标定了原子干涉陀螺仪的标度因数，大小为 1.531rad/()/h。评估了陀螺仪的性能，角随机游走系数为 5.3 104()/h1/2，零偏稳定性为 2.0 104()/h 23000s。通过整机性能优化后，将原子干涉陀螺仪从武汉搬运到北京，演示了可搬运陀螺仪的鲁棒性。1冷原子干涉陀螺仪原理基于物质波的波动特性，对原子波包相干操作，可实现原子干涉陀螺仪，可分为以下几个步骤:首 先，利 用 磁 光 阱(Magneto-optical Trap，MOT)冷却和囚禁原子;其次，将原子制备到磁不敏感态(mF=0);最后，利用拉曼光与原子相互作用，将激光的动量和相位转移到原子，实现原子波包相干分束、自由演化、相干合束，实现物质波干涉。由于原子在空间中受到重力、转动等惯性量的影响，原子运动轨迹会发生轻微改变，原子干涉仪中会多出一部分惯性量引起的相移。因此，利用与原子能级近共振的探测光测量原子的布居数，可获取原子干涉相位。原子布居数与相位之间呈现三角函数关系，可以表示为P=P0+AcoskeffgT2 2keff(v)T2+0(1)式(1)中，P 为原子的布居数，P0为干涉条纹的偏置，A 为干涉条纹的幅度，keffgT2为重力引起的相移，2keff(v)T2为转动引起的相移，0为初始相位。冷原子惯性测量装置就是通过提取重力、转动等惯性物理量引起的相移，得到相应的惯性量。冷原子干涉陀螺仪方案如图 1 所示，利用拉曼激光相干操作原子，实现对抛型双向原子干涉环路。从式(1)可以看出，原子干涉仪同时对重力和转动敏感，在提取转动相移时，必须消除重力的影响。在双环路原子干涉陀螺仪中，两个原子干涉仪的相移分别为loop1=keffgT22keffvT2+0loop2=keffgT2+2keffvT2+0(2)由于两团原子沿对称的抛物线轨迹对向抛射，原子速度大小相同，方向相反，通过差分测量能34导航与控制2022 年第 5/6 期图 1冷原子干涉陀螺仪物理系统示意图Fig.1Schematic diagram of a cold-atom-interferometergyroscope physical system够消除重力以及初始相位，从而提取出转动相移，差分相位(D)可以写成D=(loop1 loop2)/2=2keffvT2(3)式(3)中，K=2keffvT2为原子干涉陀螺仪的标度因数。在实验上，本文可以通过测量转动引起的相移和标度因数的大小，实现高精度的转动测量。2冷原子干涉陀螺仪样机本文在前期工作的基础上16-17，19，对原子干涉陀螺仪各系统进行了合理的布局:1)通过缩短冷却腔与干涉腔之间的距离，延长干涉时间的同时减小了系统尺寸;2)通过增加二维磁光阱，提高了冷原子的装载速率;3)对光学系统和电子控制进行了初步集成。2.1紧凑的物理系统实现可搬运原子干涉陀螺仪要有一个紧凑、可靠的能够感知惯性量的物理系统，物理系统的主体就是维持原子在真空环境中与激光作用的真空腔体。为了满足上述要求，本文设计了一体化的真空腔体，如图 1 所示。整个真空腔左右对称，腔体中间部分是干涉腔，干涉腔上底面均匀间隔的位置上固定有拉曼光准直器和拉曼光分束器，用于产生分离的三束拉曼光。主真空腔的棱上绕有两对亥姆霍兹偏置线圈，用于补偿干涉区和冷却区的地磁场以及提供干涉时的量子化轴磁场。左右两个对称的磁光阱冷却腔和干涉腔相互贯通，构成主真空腔。相比分离的冷却腔和干涉腔16，20，一体化主腔体的设计缩短了原子制备到干涉的距离，使得冷原子干涉陀螺仪在增加干涉环路面积的同时减小了系统体积。冷却腔内端面与干涉腔贯通，外通光面固定荧光探测器，用于收集激光诱导产生的原子荧光信号。为进一步减小系统体积，本文采用冷却光移频的方案实现原子探测，在碱金属原子团沿抛物线轨迹抛射前，原子在冷却腔中进行激光冷却，碱金属原子团沿抛物线轨迹抛射后，原子在对侧冷却腔中完成荧光探测，探测光由磁光阱中上下的一对冷却光通过移频来实现，这种探测方案极大地减小了物理系统的空间需求。同时，本文采用二维磁光阱(Two-dimen-sional Magneto-optical Trap，2D-MOT)预冷却的方案缩短了原子制备时间。2D-MOT 冷却腔是一个长方体腔，后端面与磁光阱连接，其余五个通光面上装有窗片，便于 2D-MOT 冷却光和推载光透过。2D-MOT 冷却腔上下左右四个面固定有反亥姆霍兹线圈，通过 2D-MOT 预冷却，典型的原子采样时间可以从 0.72s 缩短至 0.24s。综上，本文实现了紧凑的物理系统，尺寸为 870mm 648mm 423mm，体积为 0.24m3，实