基于冷原子干涉仪的弱等效原理检验实验中振动噪声的抑制

Atom interferometer(AI) is a precision acceleration and rotation measurement instrument. and has been widely used in the fields of gravity， rotation measuring. At the same time, AI has also been used in the field of precision measuring of fundamental physics, With long free evolution time, the AI weak equivalence principle (WEP) test precision is expected to reach the order of 10E-15, two order better than the current experimental accuracy. Vibration noise is a key noise source in the AI WEP test experiment. To reduce this influence, isotopes atoms are often used. We propose a novel proportional scan phase method to depress this noise for non isotope AI experiment. This project is based on the Lithium,Rubidium dual atom AI experiment.By controlling and monitoring the vibration noise of the experiment system, and extracting residual vibration noise from the populations of the dual atom AI, we can obtain the vibration noise controlling effect for our method. By using this method, we can extend the atomic species choices in high precision AI WEP test, and improve the precision the furture Lithium,Rubidium dual atom AI WEP test experiment.

冷原子干涉仪是一种高精度的测量仪器,已在重力测量、转动测量等领域得到了广泛应用。基于冷原子干涉仪的高精度弱等效原理检验实验一般基于同位素原子，其测量精度预期能够达到10^-15量级，比传统实验水平高两个量级。在非同位素原子干涉仪等效原理检验实验中，振动噪声是限制检验精度的主要瓶颈。为了最大限度地抑制其影响,本项目提出了一种比例扫描位相的研究方案，可用于抑制任意组份双原子干涉仪的振动噪声。本项目将依托于Li-7，Rb-87双组份原子干涉仪实验，通过精确控制拉曼激光扫描位相的比例、控制并监测系统的振动噪声、同步测量双组分原子干涉仪的末态布居数并提取出残余振动噪声，最终实现振动噪声抑制比的测量。通过本项目的实施，可将基于原子干涉仪的弱等效原理实验的测试原子种类从同位素原子拓展到非同非同位素原子，并进一步提高等效原理检验实验的精度。

原子干涉仪是一种高精度的加速度测量仪器。利用双组分原子干涉仪可以对弱等效原理进行检验，由于很多误差可以实现共模抑制，其检验的精度要远大于相应重力测量的精度，是高精度原子干涉仪应用的一个重要方向。振动噪声是限制等效原理检验精度的一个重要瓶颈。对于同位素原子，由于波矢接近，振动噪声的抑制率很高，对于非同位素原子，波矢差异较大，一般认为抑制率不会超过100。但是根据相关理论，非同位素之间的等效原理检验的破缺要远大于同位素之间的破缺，因此高精度的非同位素之间的检验具有更加重要的意义。本项目的研究内容为：寻找抑制非同位素弱等效原理检验振动噪声的方法，并设计干涉实验对此方法进行验证。.我们首先对相关理论进行了研究，我们提出了一种比例扫描相位方法，使用该方法可以得到一条光滑的李撒如图曲线，并可实现任意双组分原子的优于150 dB的振动噪声共模抑制。同时我们采用贝叶斯估计的方法，得到了在此方法下提取等效原理破缺信号的算法。我们进行了铷-锂之间的验证实验的研究。对于铷原子，实现了原子干涉；对于锂原子，实现了磁光冷却，亚多普勒冷却，并实现了锂元素的相干操作，但是由于锂原子团温度过高，我们暂时没有实现基于锂原子的干涉。我们进行了铷-85，铷-87之间验证实验的研究，对于铷-85，采用单拉曼操作，对于铷-87，采用双拉曼操作，两者之间的波矢差异为两倍，从而可以模拟非同位素检验。实验上实现了铷-85和铷-87的同步干涉，并采用了比例扫描相位方法，得到了相应的李撒如图形。从而完成了验证实验。项目的研究有助于抑制非同位素弱等效原理检验中的振动噪声，从而提高其检验精度。为未来高精度的非同位素等效原理检验实验的设计提供了新的方法，为最终的数据处理提供了新的算法，可以应用在包括高塔型原子干涉等效原理检验，基于卫星的高精度原子干涉弱等效原理检验等多个领域。