（毕业论文 页数：4 字数：3313）冷原子干涉仪及空间应用
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
目录
1 引言
2 原子干涉仪的原理
4 原子干涉仪在精密测量中的应用
5 原子干涉仪空间应用
6 小结
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
Rgyro=mc2hν=λλdeBcv ,(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,λdeB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λdeB λ,且υ c,故在典型条件下,Rgyro ~ 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Raccel=2mc2hνcv=2λλdeB(cv)2 .(2)在典型条件下,该比值达1017.
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