原子干涉陀螺仪研究现状及分析_孟至欣.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:2022-06-20原子干涉陀螺仪研究现状及分析孟至欣1，2，颜培强1，王圣哲1，冯焱颖1(1.清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084;2.北京航天控制仪器研究所，北京 100039)摘 要:自 1991 年实验演示以来，利用中性原子的物质波干涉进行惯性传感逐渐成为量子精密测量领域的研究热点。其中，光脉冲原子干涉仪在转动角速率测量方面展示了成为超高灵敏度传感器的潜力，在高精度惯性导航、基础物理学和地球物理学研究等领域具有广阔的应用前景。光脉冲原子干涉陀螺仪历经了第一代原理验证与第二代高性能实验室演示的发展，正处于从实验室向工程应用转化的重要阶段。从原子干涉陀螺仪的测量原理出发，对已有的原子干涉陀螺仪进行了分类介绍，并对近年来制约原子干涉陀螺仪动态环境应用的提高数据更新率、带宽和动态范围等问题的研究现状进行了分析和讨论。关键词:原子干涉;原子干涉陀螺仪;受激 aman 跃迁;惯性导航中图分类号:V241.5+9文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)01-02141doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.003esearch Status and Analysis of AtomInterferometer GyroscopeMENG Zhi-xin1.2，YAN Pei-qiang1，WANG Sheng-zhe1，FENG Yan-ying1(1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Department of Precision Instrument，Tsinghua University，Beijing 100084;2.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)Abstract:Since its experimental inception in 1991，the inertial sensing using matter-wave interferometers of neutralatoms has become one of research focuses in fields of quantum precision measurement.Among them，the light-pulse atominterferometer(LPAI)has shown its potential as an ultra-high sensitive sensor for measuring rotation rate，and found wideapplications in fields of inertial navigation，fundamental physics and geophysics researches.After undergoing the first gen-eration for proof-of-principle and the second generation for demonstration of high performances，LPAI based gyroscope ismoving from laboratories into dynamic field environments.In this paper，the measurement principle of the atom interferome-ter gyroscope is introduced，and then the technical characteristics and development history of the atom interferometer gyro-scope is described.Besides，the classification and research status of the current LPAI based gyroscopes are introduced.Fi-nally，the research status of the basic technical problems of improving the data update rate，bandwidth and dynamic range，which restrict the application of the LPAI based gyroscope in the dynamic environment，is analyzed and discussed.Key words:atom interferometry;atom interferometer gyroscope;stimulated aman transition;inertial navigation导航与控制2022 年第 5/6 期0引言20 世纪 90 年代以来，随着原子光学等理论的建立，量子调控技术的迅速发展使人们可以实现对原子、电子、离子等微观粒子的主动精确操控。近年来，基于量子调控技术的量子信息科技快速发展，成为新一轮技术革命和产业变革的前沿领域，主要应用方向包括量子通信、量子计算和量子精密测量。利用原子自旋或干涉效应对环境的高度敏感特性实现对时间、磁场、加速度、角速度等多种物理量的感知是量子精密测量领域的重要研究内容，这类量子传感器如原子钟1、原子磁强计2、原子重力仪3-4、原子陀螺仪5-6，不断突破经典技术的测量极限，大幅度提升时间频率基准、导航定位、医学检测等的性能。转动角速率是物体重要的运动参数信息之一，其精确测量在基础物理学研究、导航与定位系统、深空与深海探测等领域具有重要意义7。目前的定位导航与授时体系主要依赖于卫星导航定位技术，但也面临着越来越密集的干扰和欺骗攻击，下一代导航定位技术的迫切需求是解决卫星拒止条件下长航时、高精度的导航定位8。惯性导航技术凭借全天候、全时空、隐蔽性好的特点被认为是理想解决方案，以此为基础的惯性导航系统不依赖外部载体，无需定期与外界通信，是一种自主导航技术。但是，惯性导航技术基于航迹推算原理，其导航定位精度由于惯性器件(陀螺和加速度计)的漂移而随导航时间的增加而变差。其中，陀螺仪的漂移是制约惯性导航性能的主要因素之一。惯性自主导航技术要实现长时间导航定位精度接近或者达到卫星导航定位的精度，需要大幅度提高陀螺仪的精度，这对当前陀螺仪技术提出了挑战。最初的陀螺仪是基于定轴性和进动性的机械转子陀螺，随后又出现了光纤陀螺、激光陀螺、静电陀螺、微机电陀螺等其他原理的新型陀螺仪7。近几十年来，随着原子光学理论的发展以及激光冷却原子与原子相干操控技术不断突破并趋于成熟，基于中性原子物质波干涉的原子干涉仪成为了新一代量子惯性传感器件的研究热点，可以用于加速度和转动角速率的高精度测量3-6。其中，原子干涉重力仪和重力梯度仪正逐步从需要严格控制条件的实验室环境走向存在震动等影响因素的自然环境9，如太空微重力探测10。原子干涉陀螺仪作为实现新一代超高精度陀螺仪的重要技术途径，在角随机游走系数和零偏不稳定性上已优于商用光纤陀螺指标11，但目前仍处于实验室样机阶段。1原子干涉陀螺仪原理原子干涉陀螺仪的原理与光学干涉陀螺仪类似，利用了原子作为物质波的波动性，基于 Sagnac效应完成角速度的测量。按照干涉构型、物质波源以及相干操纵方式不同，有不同的分类。其中，基于双光子受激 aman 跃迁技术的光脉冲原子干涉仪(Light-pulse Atom Interferometer，LPAI)是目前的主流技术方案，下面的介绍主要以此类型为主。以87b 原子为例，图 1(a)给出了其 D2线的受激 aman 跃迁能级图。考虑三能级系统，双光子受激 aman 跃迁涉及原子与频率分别为 1和 2的两束相干光的相互作用，其激光波矢分别为 k1和 k2。其物理过程为:假设在基态 g 和 e 之外存在一个虚拟能级 i，两束激光的单光子失谐为，为单个激光频率相对于对应基态到激发态跃迁频率的失谐量，当单光子失谐 远大于跃迁的自然线宽 时，可以认为原子发生单光子跃迁的概率为零，即所谓的绝热过程，此时虚拟能级 i 的寿命可以认为很短。考虑原子初始处于 g 态能级，当原子受到 aman 激光 1和 2的共同作用时，原子首先在 1光子的作用下从 g 能级受激跃迁到虚拟能级 i，获得 1光子的动量 hk1，h为约化普朗克常数。然后，原子在 2光子的作用下迅速从虚拟能级 i 通过受激辐射跃迁到基态能级 e，同时辐射出一个与 2光子同向的相干光子，获得 hk2的反冲动量。通过该过程，原子最终实现了在两个基态能级 g 和 e 之间的跃迁，同时获得 hk1 hk2的动量。双光子受激 aman 跃迁的两束 aman 光如果是对射的(Doppler 敏感的)，如图 1(b)所示，原子可以获得 hkeff=hk1 hk22hk1的两个光子的动量，其中 keff为 aman 脉冲有效波矢。这种情况也可以看作是原子内态与外在动量的一种纠缠态，如果原子初始动量为 p，则双光子 受 激 aman 跃 迁 使 得 原 子 处 于g，p、02第 5/6 期孟至欣等:原子干涉陀螺仪研究现状及分析e，p+hkeff 的相干叠加态。原子在两能级叠加态上的概率幅函数与 abi 相位相关，当原子与aman 光作用的 abi 相位满足/2 时，原子处于g，p 和 e，p+hkeff 的等幅叠加态，通常作为原子波包的分束器来使用;当 abi 相位为 时，则原子发生量子态反转，通常用于原子波包的反射。受激 aman 跃迁通常是两个基态能级之间的跃迁，原子能态稳定，且理论上跃迁对于两个相干光的相对频率和相位噪声敏感，因此降低了对单个光频率和相位稳定性的要求。由 aman 跃迁实现的原子干涉仪是内态标记的原子干涉仪，对于原子源准直性的要求降低，且有利于信号的检测。图 1双光子受激 aman 跃迁原理示意图Fig.1Schematic diagram of two-photon stimulated aman transition按照 aman 光与原子相互作用的构型进行分类，可以将原子干涉陀螺仪主要分为三脉冲和四脉冲原子干涉陀螺仪两种12-13。三脉冲型原子干涉陀螺仪采用/2-/2 的 aman 光脉冲序列，使原子波包发生相干分束、反射和合束，形成类似光学 Mach-Zehnder 构型，称之为 aman-MZ 构型，如图 2(a)所示12。aman-MZ 构型的原子干涉惯性相移 inertial忽略掉小项可以表示为inertial=keffaT2+keff(v )T2(1)式(1)中，a 为运动载体的加速度矢量，为运动载体的角速度矢量，v 为原子运动速度，T 为原子在两个 aman 光脉冲之间运动的自由传输时间。此外，用 L 表示两路相邻 aman 光之间的间距。三脉冲原子干涉陀螺仪同时对 aman 光波矢方向的加速度和干涉面积法向的角速率敏感，因此可以同时输出转动角速率和线加速度，但是为了两个惯性量的解耦输出，需要两个原子源对射经过同样的 aman 光序列形成两个干涉仪。此外，惯性相移对原子运动速度和运动轨迹敏感，因此原子运动速度的精确控制程度和双环路干涉仪中原子运动轨迹的重合度一定程度影响了陀螺仪的灵敏度和精度6，14-15。图 2不同的原子干涉仪构型Fig.2Configurations of different atom interferometers四脉冲型原子干涉陀螺仪所选用的 aman 光脉冲时序为/2-/2，通常由上下两