2018冷原子干涉仪及空间应用

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摘 要 原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏度.文章介绍了原子干涉仪的基本物理原理国内外研究进展原子干涉仪实现方案及其在精密测量和空间科学领域中的应用.
关键词 冷原子,原子干涉仪,惯性测量
　　
　　Abstract Atom interferometers are based on the matter wave feature of atoms. Cold atoms have low velocity, small velocity distribution and good coherence, thus cold atom interferometers display excellent sensitivity. In this paper, we describe the basic principle, recent progress, realization schemes and space applications of cold atom interferometers.
　　Keywords cold atom, atom interferometers, gravity measurement
　　
　　1 引言
　　
　　波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子中子原子分子)都具有波粒二象性,微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述,服从薛定谔方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实现了脉冲式原子干涉仪以来[1],原子干涉仪在精密测量领域得到了广泛的应用,典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量[2,3],旋转速率测量和地球自转速率的测量[4,5,6],牛顿引力常数的测量[7—10]以及精细结构常数的测量[11]等.利用原子干涉仪验证等效性原理[12,13]以及原子干涉仪在空间应用已经引起关注[14,15].
　　原子干涉仪基于物质的波动特性,实质是对原子波包的相干操作.将原子波包相干地分束和合束后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径即产生干涉条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内禀特性,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到的灵敏度远高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波的薛定谔方程,可得到同等环路面积条件下,原子陀螺仪与光学陀螺仪灵敏度的比值为??R?gyro=mc2hν=λλ?deBcv ,(1)??其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度, m是原子的质量,λ?deB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λ?deB ?λ,且υ ? c,故在典型条件下,R?gyro ~ 1010,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所以与激光干涉仪相比,原子干涉仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运动速度远慢于光速,因此在原子陀螺仪中,原子飞越相同的干涉路程时将经历更长时间的转动,从而产生更大的条纹移动.类似的分析发现,原子加速度计的内禀灵敏度与光学的比值为??R?accel=2mc2hνcv=2λλ?deB(cv)2 .(2)??在典型条件下,该比值达1017.
　　原子干涉的历史要追溯到20世纪初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持续几十个纳秒的原子相干叠加态[17],随着原子束技术的发展,Stern-Gerlach磁场被用来选择和保存原子在特定的量子态中,1938年,Rabi采用射频共振技术实现了原子内部量子态的改变[18].1949年,Ramsey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加,用分离振荡场技术实现原子内部量子态的相干操作,为实际应用带来重大变化[19],典型应用有原子频率标准,核磁共振波谱和量子信息等.随着冷原子技术的发展,采用冷原子的原子干涉仪得到了迅速发展,1991年,朱棣文用受激拉曼脉冲序列对冷原子内部量子态操作,使原子波包相干分束反射和合束,原子外部量子态在波包自由演化后通过原子内部量子态进行测量,实现了受激拉曼跃迁式原子干涉仪;1997年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精密测量,精度达到10-8(rad/s)/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干涉仪.美国耶鲁大学继2000年实现了大面积光-脉冲原子干涉仪之后,又于2002年利用原子干涉仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏度达10-9g /Hz.
　　目前国际上灵敏度最高的原子干涉陀螺仪用热原子束实现[4,6].热原子束的优点是原子数多,可以获得更高的信噪比.从提高灵敏度来讲,得到更大的干涉环路面积需要增加长度或者降低原子速度,热原子束速度很大,通常为每秒几百米,冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成和小型化方面有着明显优势.冷原子陀螺仪通常采用双环路原子干涉仪的构型实现[5],其优点在于可将系统小型化,同时可以抑制共模噪声和方便提取旋转相移.重力加速度引起的相移为?Δ?=12(k?eff×g)·T2?,T是拉曼脉冲时间间隔,可以通过降低原子速度来增加相移,因此,冷原子在测量重力加速度方面比热原子具有明显的优势.
　　
　　2 原子干涉仪的原理
　　
　　光或原子的波动与干涉可由图1所示的著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果将产生干涉.
　　原子干涉仪的运作一般分为几个步骤:原子初态制备原子波包相干分束原子波包自由演化原子波包相干合束原子末态探测.下面以拉曼型原子干涉仪为例,介绍原子干涉仪的基本物理原理和相关应用.
在原子干涉仪中,要相干地对原子波包分束和合束,并保证原子波包在自由演化过程中保持其相干特性,最初原子干涉仪设计类似于光波杨氏双缝干涉仪实验[20,21],但用激光对原子产生的力学效应,使原子在吸收或受激辐射光子的同时得到光子反冲动量,使原子波包分束和合束, 用受激拉曼过程对原子波包相干操作,使原子获得双光子反冲动量,从而增加原子干涉环路的面积,提高原子干涉仪的灵敏度[22—24].
　　
　　4 原子干涉仪在精密测量中的应用
　　
　　冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比拟.利用原子干涉仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率达到2×10-8(g)/Hz[2],重力梯度仪的分辨率达到4×10-9(g/m)/Hz[3],牛顿引力常数测量不确定度达到±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用热原子束实现原子陀螺仪灵敏度达到1.4×10-10rad/s,偏置稳定度达到7×10-5 (°)/h,短期噪声达到3×10-5 (°)/h[4,6].冷原子陀螺仪的灵敏度在10 min平均时间达到1.4×10-7rad/s[5] .
　　
　　5 原子干涉仪空间应用
　　
　　美国斯坦福大学麻省理工学院等研究单位对原子陀螺仪进行了深入的科学研究,美国宇航局(NASA)启动了空间原子重力梯度仪研制计划,用以精密测量地球重力场.欧洲空间局(ESA)启动了HYPER(hyper-precision cold atom interferometry in space)计划,该计划首次用原子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星定位系统连用), 同时进行重力磁效应和量子重力的科学研究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验[15].