一种冷原子束干涉陀螺装置

摘要

一种冷原子束干涉陀螺装置由冷原子束、原子束相干操纵和陀螺转动信号提取三系统组成；冷原子束系统连续出射|1＞态冷原子束作为物质波源；原子束相干操纵系统由依次置于|1＞态冷原子束出射路径上的三个光栅；以及分别对三个光栅相位进行调制的三个相位调制器组成；|1＞态冷原子束依次进入三个光栅，进行分束、反射和再分束，得|2＞能态和|1＞能态原子束干涉信号；陀螺转动信号提取系统的探测激光束诱导|2＞能态原子束干涉信号发出荧光信号，光电探测装置对荧光信号进行探测并送入计算机进行处理，得陀螺转动角速度信号；可获环境要求低的相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号。

主权项

一种冷原子束干涉陀螺装置，其由冷原子束系统、原子束相干操纵系统和陀螺转动信号提取系统三部分组成；所述冷原子束系统连续出射|1>态的冷原子束（1）作为该冷原子束干涉陀螺装置的物质波源，该|1>态的冷原子束（1）的纵向最可几速度为3～27m/s，纵向速度分布为0.5～5m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量不小于10⁸atoms/s量级；所述原子束相干操纵系统由依次放置在|1>态的冷原子束（1）出射路径上的第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）；以及依次对所述第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）相位进行调制的第一相位调制器（8）、第二相位调制器（7）和第三相位调制器（6）组成；处于|1>态的冷原子束（1）进入第一光栅（2）分束成|1>态原子束和|2>态原子束；再通过第二光栅（3）进行反射，二束原子能态翻转，汇聚一处；之后通过第三光栅（4）对原子束再次分束，分束后的每个原子能态的原子束分别合束；最后输出处于|2>能态的原子束的干涉信号（5）和处于|1>能态的原子束的干涉信号（5’）；第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）均为满足基于双光子受激拉曼跃迁原理的、偏振方向正交的、横截面为窄线状的、两拉曼光成份对射的拉曼光学光栅；第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）分别满足原子受激拉曼跃迁的π/2、π和π/2相位，并分别实现对原子束的分束、反射和合束的相干操纵；所述陀螺转动信号提取系统由光电探测装置（10）、探测激光束（9）和计算机测控系统（69）组成；所述探测激光束（9）诱导所述的处于|2>能态的原子束的干涉信号（5）发出荧光信号，所述光电探测装置（10）对所发出的荧光信号进行探测并送入计算机进行进一步处理，所述的处理为对时域空间内的|2>能态原子束的干涉信号（5）进行傅里叶变换，获得动量谱空间内的转动的动量谱函数和无转动的动量谱函数；转动的情况下，转动作用对无转动的动量谱函数具有周期为T_θ的调制作用，进而得到转动的动量谱函数，该调制周期T_θ与惯性空间转动角速度信号Ω之间满足如下关系：$\Omega =\frac{\pi v_0}{k_{\mathrm{eff}}{L}^2}·\frac{1}{T_{\theta }}$其中，v₀为|1>态的冷原子束（1）的最可几速度；k_eff为两对射拉曼光成份对|1>态的冷原子束（1）操纵的有效波矢；L为该冷原子束干涉陀螺装置的干涉长度；T_θ：有转动信号时的动量谱相对无转动信号时的动量谱函数的调制周期；通过测量该调制周期T_θ，获得精确的陀螺转动角速度信号Ω；所述的冷原子束系统和原子束相干操纵系统处于真空系统中；所述第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）分别为基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，其制备如下：第三激光器（44）的输出光经过光分束器（49）分为两部分，一部分激光经过电光调制（45）调制，得到具有两边带和载波频率三个模式的种子光；将此种子光注入到半导体激光二极管（46）内，进行注入锁定选频放大；输出光经过1/2波片（47），输入到光纤耦合头（48）内；另一束光通过反射镜（50）进入声光调制器（51）、1/2波片（52），输入到光纤耦合头（53）内；调节两个1/2波片（47，52）使两束光分别与光纤的快轴和慢轴平行输入到光纤，之后经过PBS型光纤合束器（54）进行合束，得到偏振方向垂直正交的线偏振的两拉曼光成份；通过光纤连接器（55）将两耦合的激光输入到NPBS型一分三光纤分束器（56）内，再将此耦合激光按照1:2:1的比例进行分束，再通过光纤线光扩束器（57，58，59）扩束为线光束，之后利用狭缝光栏（60）对光束进行进一步整形；将此三束线光分别经过1/4波片（61），使两拉曼光成份为相互正交圆偏振；该三束线光通过冷原子束后，将其分别经过1/4波片（62）和偏振分光棱镜（63）滤除其中一个偏振方向的拉曼光分量，剩余另外一个偏振方向拉曼光分量透射过去，又经过透镜对（64）缩小光束光斑，利用零度反射镜（65）原路反射，在光束缩小位置处分别通过声光调制器（6，7，8）的双向移频来调制剩余拉曼光分量的光频率，实现对拉曼光的相位调制；这样，得到三束两两对射、圆偏振方向正交的线状拉曼光学光栅，即第一光栅（2）、第二光栅（3）和第三光栅（4）。