《原子干涉重力梯度测量原理性实验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子干涉重力梯度测量原理性实验研究（135页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 分 类 号分 类 号 学号学号 510120200679479 学校代码学校代码 10487 密级密级 博士学位论文 博士学位论文 原子干涉重力梯度测量原子干涉重力梯度测量 原理性实验研究 原理性实验研究 学位申请人: 段小春 学位申请人: 段小春 学 科 专 业 : 理论物理 学 科 专 业 : 理论物理 指 导 教 师 : 胡忠坤 教授 指 导 教 师 : 胡忠坤 教授 罗 俊 教授 罗 俊 教授 答 辩 日 期答 辩 日 期 : 2011 年年 8 月月 5 日日 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requir
2、ements for the Degree of Doctor of Philosophy in Science Principle Experiment of Measuring Gravity Gradient by Atom Interferometry Ph.D. Candidate : Xiao-Chun Duan Major : Theoretical Physics Supervisor : Prof. Zhong-Kun Hu Prof. Jun Luo Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430
3、074, P. R. China August, 2011 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
4、本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 摘 要 摘 要 重力梯度测量在地下勘测、 地球重力场恢复以及万有引力常数测量和等效原理等 检验方面有着重要的应用。本文介绍了在单个磁光阱基础上利用双原子喷泉实现原 子干涉重力梯度测量的研究工作。初步实验结果表明，在 100s
5、的积分时间内，0.45m 基线上的重力梯度测量分辨率达到了 100E。 我们利用受激 Raman 跃迁操纵 87Rb 原子实现原子干涉，并进行原子干涉重力差 分测量来获得重力梯度信息。首先，用磁光阱装载原子并将其上抛，形成原子喷泉。 在原子的飞行过程中，一部分处在磁不敏感态、狭窄速度分布内的冷原子被挑选出 来。紧接着选态后的原子与 Raman 光/2/2脉冲系列相互作用，其波包被分 束、反射，最后汇聚，实现原子干涉。在这个过程中，重力加速度信息被读入到原 子波包相位中。最后，探测不同态的原子比例，得到原子在干涉过程中的跃迁概率， 从而可以提取出重力加速度信息。利用双原子喷泉形成两个高度不同的原
6、子干涉仪， 就可以实现重力梯度测量。 本文详细介绍了原子干涉仪中原子初态制备、探测功能和双喷泉的实现，以及重 力梯度测量的初步实验结果，并分析了梯度测量中相关的噪声和系统误差。分析表 明目前探测噪声是梯度测量实验的主要噪声源，而磁场不均匀引起的偏差是重要系 统误差之一。我们提出并实现了用双原子喷泉形成两个干涉仪进行磁场梯度的同时 差分测量，该方法可以有效提高干涉区磁场梯度测量的分辨率。最后，在该研究工 作的基础上，展望了下一步重力梯度测量工作的重点。 关键词：关键词：重力梯度 原子干涉 双原子喷泉 差分测量 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 Abst
7、ract Measuring the gravity gradient has important applications on underground structure detection, recoverying the earths gravity field, as well as measuring the gravitational constant and testing the equivalence law. This work demonstrate a gravity gradient measurement by atom interferometry using
8、double atomic fountains based on a single magnetic-optical-trap (MOT). According to the preliminary result, in our gravity gradient measurement, a resolution of about 100E is achieved at an integration time of 100s with a baseline of 0.45m. We adopt stimulated Raman transition to manipulate the 87Rb
9、 atoms to realize the atom interferometry, which can then be used to measure the gravity gradient. Firstly, the atoms are loaded using the MOT and then launched to form an atomic fountain. In their way of flight, a slice of cold atoms in a very narrow range of velocity and in magnetic insensitive st
10、ate are selected. After that the prepared atoms are subjected to a /2/2 Raman pulse consequence to split, reflect and combine the atomic wavepacket, which makes the atom to interfere. During that process the gravity accerleration information is written into the phase of the wavepacket. Finally the a
11、toms in different states are detected and the transition probability is obtained, from which the acceleration can be extracted. With two such atom interferometers at different heights formed by double atomic fountains, the gravity gradient can be measured. In this dissertation, the state preparation
12、, detection of the atoms, and the realization of double atomic fountains, as well as the preliminary result of the gravity gradient measurement are described in detail. Furthermore, the noise and the systematic errors in the gravity gradient measurement have been analysed. We find that the dominated
13、 noise comes from the detection process, and the bias induced by the inhomegeneity of the magnetic field is one of the severe errors. We have proposed and domenstrated a simultaneous differential method using two atom interferometers formed by double atomic fountains, which can effectively improve t
14、he resolution in measuring the magnetic-field gradient. Based on this study, we prospect the future work in measuring the gravity gradient at the end. Keywords: Gravity gradient Atom interferometry Double atomic fountain Differential measurement III 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 目 录目 录 摘 要摘 要.
15、I AbstractII 插图索引V 表格索引VIII 1 引言 1.1 重力梯度测量的基本原理 1 1.2 重力梯度测量的应用 2 1.3 高灵敏度重力梯度仪现状 5 1.4 原子干涉重力梯度测量方案 10 1.5 博士期间的主要工作 12 2 原子干涉重力梯度测量理论分析 2.1 电磁场与二能级原子相互作用 14 2.2 三能级原子受激 Raman 跃迁.21 2.3 干涉仪相移的计算和梯度信号的获得 25 2.4 梯度测量对 Raman 光相噪和振动噪声的抑制.28 2.5 本章小结.36 3 原子干涉梯度测量实验 3.1 原子干涉梯度测量实验总述 38 3.2 冷却囚禁原子.40 3.
16、3 原子喷泉.50 3.4 初态制备.60 3.5 探测.69 3.6 原子与 Raman 光相互作用.75 IV 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 3.7 时序控制和数据采集 79 3.8 本章小结.82 4 初步实验结果和分析 4.1 原子干涉仪测量重力加速度 83 4.2 原子干涉仪测量重力梯度 84 4.3 椭圆拟合提取梯度信号 87 4.4 梯度测量噪声分析 93 4.5 梯度测量偏差分析 98 4.6 本章小结.109 5 总结与展望 致谢.112 参考文献.114 附录 1 攻读博士期间发表的论文 121 附录 2 87Rb 原子相关参数122 V 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 插图索引插图索引 图 1.1 重力梯度测量示意图2 图 1.2 机载重力梯度仪探测到的铁矿3 图 1.3 法国 GOCE 项目在 2010 年第一次利用星载梯度仪获得的大地水准面.4 图 1
