原子干涉重力仪中的隔振问题研究

In recent years, atom interferometry gravimeters have proven to be increasely valuable sensors in geophysics, finding natural resource, metrology and fundamental physics. It is significant to supress noise and improve the precision of atom gravimeter in order to fulfil the requirement of many scientifical experiments. The seismic noise and vibrations are the dominant noises which greatly limit the perfermance of atom interferometry gravimeters, and the vibration isolator is also one of the most important parts of absolute gravity measurements. We propose to build a passive isolator to isolate the high frequency vibrations in the first step, and then using the output of an accelerometer to act as an active vibration isolator to supress the low frequency vibration noise. With this passive and active isolators, it is expected that the vibration noise between 0.05-5Hz could be decreased more than one or two orders, which will provide a very quiet platform for Micro-Gal level aom gravimeter and greatly improve the gravimeter's resolution. This low frequency active vibration isolator could also be used in detection of gravitational waves, ultrastable optical cavities and space micro-gravity experiments.

原子干涉重力仪是近年来发展起来的一种高精度绝对重力仪，其在地球物理、资源勘探、精密测量以及基础科学等领域具有广泛的应用前景，因此进一步提高原子干涉重力仪的分辨率具有重要的研究意义。地面或平台的振动噪声已成为制约高精度重力仪分辨率提高的主要因素，振动噪声的有效隔离是原子重力仪研制的关键技术和难点。本项目拟在课题组前期原子干涉重力测量研究的基础上，先采用被动隔振技术对高频振动噪声进行隔离，再利用高分辨率加速度计测量出隔振对象的低频振动信号，并以此为依据利用主动反馈技术来抑制低频振动噪声。采用这种被动与主动隔振相结合的技术，有望将0.05-5Hz频段内的现有垂向振动噪声降低1到2个量级，解决微伽级原子干涉重力仪中的振动噪声限制问题。另外，超低频主动隔振技术也是引力波探测、超稳光腔、空间微重力实验的关键技术之一，因此本项目的开展也可以为相关基础研究与空间实验方面提供技术积累。

实验室的振动噪声是原子干涉重力仪的主要噪声之一，其直接限制了原子干涉绝对重力仪分辨率的进一步提高。本项目完成了三维主动隔振系统的设计，并实现了原子干涉仪中的三维主动隔振系统。该系统采用主动与被动相结合的隔振技术，实现了竖直和水平方向的同时主动反馈控制。隔振系统闭环后，竖直和水平方向上等效的共振周期分别达到100s和12s。在竖直方向上，主动隔振后的残余振动噪声从0.2Hz到2Hz频段被压制了50倍；水平方向上被压制了5倍。最后我们通过反馈环路各部分的噪声测试，确定在竖直方向的振动噪声基本达到微震仪本底电子噪声水平。微震仪探头的电子本底噪声是限制竖直方向振动噪声的主要因素，水平方向的反馈增益受制于竖直对水平方向的振动耦合。