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1、冷原子干预仪及空间应用摘要原子干预仪是利用原子物质波的特性而实现的干预仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因此冷原子干预仪具有很高的灵敏度.文章介绍了原子干预仪的根本物理原理国内外研究进展原子干预仪实现方案及其在精细测量和空间科学领域中的应用.关键词冷原子,原子干预仪,惯性测量abstratatinterferetersarebasedntheatteravefeaturefats.ldatshavelvelity,sallvelitydistributinandgdherene,thusldatinterferetersdisplayexellentsensitivity.i
2、nthispaper,edesribethebasipriniple,reentprgress,realizatinsheesandspaeappliatinsfldatinterfereters.keyrdsldat,atinterfereters,gravityeasureent1引言波的干预是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干预现象早已被人认识.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)由波函数描绘,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预仪以来1,原子干预仪在精细测
3、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710以及精细构造常数的测量11等.利用原子干预仪验证等效性原理12,13以及原子干预仪在空间应用已经引起关注14,15.原子干预的历史要追溯到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,随着原子束技术的开展,stern-gerlah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,rasey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加,用别离振荡场技
4、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.随着冷原子技术的开展,采用冷原子的原子干预仪得到了迅速开展,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展测量,实现了受激拉曼跃迁式原子干预仪;1997年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精细测量,精度到达10-8(rad/s)/hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干预仪.美国耶鲁大学继2000年实现了大面积光-脉冲原子干预仪之后,又于2002年利用原子干预仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏
5、度达10-9g/hz.2原子干预仪的原理光或原子的波动与干预可由图1所示的著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是原子干预仪的根本原理,即不可区分的两条途径的几率振幅叠加的结果将产生干预.原子干预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预仪为例,介绍原子干预仪的根本物理原理和相关应用.在原子干预仪中,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,最初原子干预仪设计类似于光波杨氏双缝干预仪实验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
6、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,从而增加原子干预环路的面积,进步原子干预仪的灵敏度2224.4原子干预仪在精细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细测量领域有着独特的优势.原子干预仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比较.利用原子干预仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率到达210-8(g)/hz2,重力梯度仪的分辨率到达410-9(g/)/hz3,牛顿引力常数测量不确定度到达0.00310-113kg-1s-29,10,用热原子束实现原子陀螺仪灵敏度到达1.410-10rad/s,偏置稳定度到达710-5()/h,短期噪声到达3
7、10-5()/h4,6.冷原子陀螺仪的灵敏度在10in平均时间到达1.410-7rad/s5.5原子干预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展了深化的科学研究,美国宇航局(nasa)启动了空间原子重力梯度仪研制方案,用以精细测量地球重力场.欧洲空间局(esa)启动了hyper(hyper-preisinldatinterferetryinspae)方案,该方案首次用原子干预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),同时进展重力磁效应和量子重力的科学研究,包括精细构造常数的测量和物质波相干等实验15.hyper的第一个卫星使命是用冷原子干预仪作为惯性传感
8、器控制飞船,用4个原子干预仪组成2个双环路原子陀螺仪测量2个正交方向的加速度和旋转,通过激光控制原子的速度,使2个原子陀螺仪工作在不同形式:粗测和细测.粗测的灵敏度为10-9rad/s,用作姿态和轨道控制系统(as);细测的灵敏度为10-12rad/s,用来测量引力效应.hyper对精细构造常数独立测量不依赖于量子电动力学,预计进步一个量级,用于比比赛子电动力学的结果,hyper将进展引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和进展量子引力实验.6小结利用原子干预仪可进展精细物理测量,例如:转动加速度加速度梯度等.因此,原子干预仪在导航定位地下掩体探测探矿找油等方面有广泛的应用前景.原子干预仪性能的进
9、一步进步将受到两方面的限制:(1)由于重力的影响,原子飞行的时间有限,飞行途径包含的面积较小,难以进一步进步灵敏度;(2)在原子动量起伏较大的情况下,不能将原子束等比例地别离到两个途径上,降低了干预条纹的比照度.因此,除了改善现有原子干预仪的方案之外,开展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干预仪将来的主要开展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-爱因斯坦凝聚体进展原子干预仪研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的互相作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面,原子微构造磁囚禁和导引可以极大地进步人们对原子的操纵才能,有利于开展小型化原子干预仪.参考文献
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