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冷原子干涉儀及空間應(yīng)用
摘 要 原子干涉儀是利用原子物質(zhì)波的特性而實(shí)現(xiàn)的干涉儀,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉儀具有很高的靈敏度.文章介紹了原子干涉儀的基本物理原理､國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展､原子干涉儀實(shí)現(xiàn)方案及其在精密測(cè)量和空間領(lǐng)域中的應(yīng)用.
關(guān)鍵詞 冷原子,原子干涉儀,慣性測(cè)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
波的干涉是界的本質(zhì)特性.光是一種電磁波,光的干涉現(xiàn)象早已被人認(rèn)識(shí).根據(jù)量子理論,任何微觀粒子(如､中子､原子､分子)都具有波粒二象性,微觀粒子的波動(dòng)性(稱為物質(zhì)波或德布羅意波)由波函數(shù)描述,服從薛定諤方程.物質(zhì)波同樣滿足線性疊加原理,具有相干性.自從1991年實(shí)現(xiàn)了脈沖式原子干涉儀以來(lái)[1],原子干涉儀在精密測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,典型的應(yīng)用有重力加速度測(cè)量和重力梯度測(cè)量[2,3],旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量和地球自轉(zhuǎn)速率的測(cè)量[4,5,6],牛頓引力常數(shù)的測(cè)量[7—10]以及精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量[11]等.利用原子干涉儀驗(yàn)證等效性原理[12,13]以及原子干涉儀在空間應(yīng)用已經(jīng)引起關(guān)注[14,15].
原子干涉儀基于物質(zhì)的波動(dòng)特性,實(shí)質(zhì)是對(duì)原子波包的相干操作.將原子波包相干地分束和合束后形成兩個(gè)或者多個(gè)路徑,觀察這些不可區(qū)分路徑即產(chǎn)生干涉條紋.操作原子波包的方式有激光駐波形成的衍射光柵結(jié)構(gòu)[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物質(zhì)波具有與光波不同的內(nèi)稟特性,基于原子干涉的原子陀螺儀和原子加速度計(jì),可達(dá)到的靈敏度遠(yuǎn)高于激光陀螺儀或激光加速度計(jì).理論上分別求解光波波動(dòng)方程和物質(zhì)波的薛定諤方程,可得到同等環(huán)路面積條件下,原子陀螺儀與光學(xué)陀螺儀靈敏度的比值為??R?gyro=mc2hν=λλ?deBcv ,(1)??其中c為真空中光速,λ是光波波長(zhǎng),ν是光頻率,υ為原子的運(yùn)動(dòng)速度, m是原子的質(zhì)量,λ?deB=h/mυ是原子的德布羅意波波長(zhǎng).因?yàn)棣?deB ?λ,且υ ? c,故在典型條件下,R?gyro ~ 1010,即原子陀螺儀的內(nèi)稟靈敏度可比同面積的激光陀螺儀高10個(gè)量級(jí).這是由于物質(zhì)波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng),所以與激光干涉儀相比,原子干涉儀對(duì)更小的變化更靈敏;又由于原子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)慢于光速,因此在原子陀螺儀中,原子飛越相同的干涉路程時(shí)將經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng),從而產(chǎn)生更大的條紋移動(dòng).類似的分析發(fā)現(xiàn),原子加速度計(jì)的內(nèi)稟靈敏度與光學(xué)的比值為??R?accel=2mc2hνcv=2λλ?deB(cv)2 .(2)??在典型條件下,該比值達(dá)1017.
原子干涉的要追溯到20世紀(jì)初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持續(xù)幾十個(gè)納秒的原子相干疊加態(tài)[17],隨著原子束技術(shù)的,Stern-Gerlach磁場(chǎng)被用來(lái)選擇和保存原子在特定的量子態(tài)中,1938年,Rabi采用射頻共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了原子內(nèi)部量子態(tài)的改變[18].1949年,Ramsey實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間原子內(nèi)部量子態(tài)的相干疊加,用分離振蕩場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原子內(nèi)部量子態(tài)的相干操作,為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)重大變化[19],典型應(yīng)用有原子頻率標(biāo)準(zhǔn),核磁共振波譜和量子信息等.隨著冷原子技術(shù)的發(fā)展,采用冷原子的原子干涉儀得到了迅速發(fā)展,1991年,朱棣文用受激拉曼脈沖序列對(duì)冷原子內(nèi)部量子態(tài)操作,使原子波包相干分束､反射和合束,原子外部量子態(tài)在波包自由演化后通過原子內(nèi)部量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了受激拉曼躍遷式原子干涉儀;1997年,朱棣文又用原子陀螺儀實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的精密測(cè)量,精度達(dá)到10-8(rad/s)/Hz.法國(guó)巴黎大學(xué)實(shí)現(xiàn)了冷原子自旋-極化干涉儀.美國(guó)耶魯大學(xué)繼2000年實(shí)現(xiàn)了大面積光-脈沖原子干涉儀之后,又于2002年利用原子干涉儀實(shí)現(xiàn)了靈敏的重力梯度儀,靈敏度達(dá)10-9g /Hz.
目前國(guó)際上靈敏度最高的原子干涉陀螺儀用熱原子束實(shí)現(xiàn)[4,6].熱原子束的優(yōu)點(diǎn)是原子數(shù)多,可以獲得更高的信噪比.從提高靈敏度來(lái)講,得到更大的干涉環(huán)路面積需要增加長(zhǎng)度或者降低原子速度,熱原子束速度很大,通常為每秒幾百米,冷原子的速度可以精確地控制在每秒幾米左右,在系統(tǒng)集成和小型化方面有著明顯優(yōu)勢(shì).冷原子陀螺儀通常采用雙環(huán)路原子干涉儀的構(gòu)型實(shí)現(xiàn)[5],其優(yōu)點(diǎn)在于可將系統(tǒng)小型化,同時(shí)可以抑制共模噪聲和方便提取旋轉(zhuǎn)相移.重力加速度引起的相移為?Δ?=12(k?eff×g)·T2?,T是拉曼脈沖時(shí)間間隔,可以通過降低原子速度來(lái)增加相移,因此,冷原子在測(cè)量重力加速度方面比熱原子具有明顯的優(yōu)勢(shì).
2 原子干涉儀的原理
光或原子的波動(dòng)與干涉可由圖1所示的著名的楊氏雙狹縫實(shí)驗(yàn)來(lái)演示.這也是原子干涉儀的基本原理,即不可區(qū)分的兩條路徑的幾率振幅疊加的結(jié)果將產(chǎn)生干涉.
原子干涉儀的運(yùn)作一般分為幾個(gè)步驟:原子初態(tài)制備､原子波包相干分束､原子波包自由演化､原子波包相干合束､原子末態(tài)探測(cè).下面以拉曼型原子干涉儀為例,介紹原子干涉儀的基本物理原理和相關(guān)應(yīng)用.
在原子干涉儀中,要相干地對(duì)原子波包分束和合束,并保證原子波包在自由演化過程中保持其相干特性,最初原子干涉儀設(shè)計(jì)類似于光波楊氏雙縫干涉儀實(shí)驗(yàn)[20,21],但用激光對(duì)原子產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng),使原子在吸收或受激輻射光子的同時(shí)得到光子反沖動(dòng)量,使原子波包分束和合束, 用受激拉曼過程對(duì)原子波包相干操作,使原子獲得雙光子反沖動(dòng)量,從而增加原子干涉環(huán)路的面積,提高原子干涉儀的靈敏度[22—24].
4 原子干涉儀在精密測(cè)量中的應(yīng)用
冷原子具有質(zhì)量和傳播時(shí)間長(zhǎng)等特征決定了它在精密測(cè)量領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).原子干涉儀作為慣性傳感器可與最好的其他慣性傳感器比擬.利用原子干涉儀作為慣性傳感器,測(cè)量重力加速度的分辨率達(dá)到2×10-8(g)/Hz[2],重力梯度儀的分辨率達(dá)到4×10-9(g/m)/Hz[3],牛頓引力常數(shù)測(cè)量不確定度達(dá)到±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用熱原子束實(shí)現(xiàn)原子陀螺儀靈敏度達(dá)到1.4×10-10rad/s,偏置穩(wěn)定度達(dá)到7×10-5 (°)/h,短期噪聲達(dá)到3×10-5 (°)/h[4,6].冷原子陀螺儀的靈敏度在10 min平均時(shí)間達(dá)到1.4×10-7rad/s[5] .
5 原子干涉儀空間應(yīng)用
美國(guó)斯坦福大學(xué)､麻省理工學(xué)院等研究單位對(duì)原子陀螺儀進(jìn)行了深入的科學(xué)研究,美國(guó)宇航局(NASA)啟動(dòng)了空間原子重力梯度儀研制計(jì)劃,用以精密測(cè)量地球重力場(chǎng).歐洲空間局(ESA)啟動(dòng)了HYPER(hyper-precision cold atom interferometry in space)計(jì)劃,該計(jì)劃首次用原子干涉儀作為加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器來(lái)控制飛船(與衛(wèi)星定位系統(tǒng)連用), 同時(shí)進(jìn)行重力磁效應(yīng)和量子重力的科學(xué)研究,包括精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量和物質(zhì)波相干等實(shí)驗(yàn)[15].
HYPER的第一個(gè)衛(wèi)星使命是用冷原子干涉儀作為慣性傳感器控制飛船,用4個(gè)原子干涉儀組成2個(gè)雙環(huán)路原子陀螺儀測(cè)量2個(gè)正交方向的加速度和旋轉(zhuǎn),通過激光控制原子的速度,使2個(gè)原子陀螺儀工作在不同模式:粗測(cè)和細(xì)測(cè).粗測(cè)的靈敏度為10-9rad/s ,用作姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)(AOCS);細(xì)測(cè)的靈敏度為10-12rad/s ,用來(lái)測(cè)量引力效應(yīng).HYPER對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)獨(dú)立測(cè)量不依賴于量子電動(dòng)力學(xué),預(yù)計(jì)提高一個(gè)量級(jí),用于比較量子電動(dòng)力學(xué)的結(jié)果,HYPER將進(jìn)行引力實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲和進(jìn)行量子引力實(shí)驗(yàn).
6 小結(jié)
利用原子干涉儀可進(jìn)行精密物理測(cè)量,例如:轉(zhuǎn)動(dòng)､加速度､加速度梯度等.因而,原子干涉儀在導(dǎo)航定位､地下掩體探測(cè)､探礦找油等方面有廣泛的應(yīng)用前景.
原子干涉儀性能的進(jìn)一步提高將受到兩方面的限制:(1) 由于重力的影響,原子飛行的時(shí)間有限,飛行路徑包含的面積較小,難以進(jìn)一步提高靈敏度;(2)在原子動(dòng)量起伏較大的情況下,不能將原子束等比例地分離到兩個(gè)路徑上,降低了干涉條紋的對(duì)比度.因此,除了改善現(xiàn)有原子干涉儀的方案之外,全新的技術(shù)來(lái)解決以上兩方面的問題是原子干涉儀未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì).這包括改善原子束源和尋找操縱原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-愛因斯坦凝聚體進(jìn)行原子干涉儀研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更長(zhǎng)的相互作用時(shí)間和更好的信噪比.在原子操縱方面,原子微結(jié)構(gòu)磁囚禁和導(dǎo)引可以極大地提高人們對(duì)原子的操縱能力,有利于發(fā)展小型化原子干涉儀.
參 考 文 獻(xiàn)
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