原子干涉仪等效原理检验中科里奥利效应的实验研究

It is very important to experimental test the equivalence principle (EP) in high precision for verifying Einstein's general relativity and searching for new interactions. The experimental EP test by using macroscopic object and microscopic object are equally important to verify its applicability. The development of atom interferometer experiment technology provides us a new method for EP test on the micro scale. Currently the highest precision of EP test by atom interferometer is about 10^-8. The Coriolis force caused by rotation of the earth is one of the most important effects for EP test by atom interferometer. In this program, we will perform a novel experimental research to the compensation of the Coriolis force in the EP test by atom interferometer, and decrease the influence of this effect down to 10^-10 level without affecting the original active vibration isolation. The implementation of this program could extremely decreases the system errors and improve the precision of EP test by atom interferometer.

等效原理的高精度实验检验在验证爱因斯坦广义相对论和寻找新的相互作用力方面都有着重要意义。为验证等效原理的适用范围，宏观物体和微观尺度的等效原理检验实验同样重要。原子干涉仪实验技术的发展，为人们提供了一种在微观尺度上高精度检验等效原理的新方法。目前国际上用原子干涉仪检验等效原理的最好水平为10^-8，而地球转动引起的科里奥利力是其达到更高检验精度的最主要限制因素之一。本项目拟对原子干涉仪等效原理检验中科里奥利力补偿的新方法进行实验研究，在不影响原子干涉仪主动隔振系统的同时提高对地球转动补偿的精度，以使其对实验的影响降低至10^-10水平。本项目的实施，可以极大降低实验的系统误差，提高原子干涉仪等效原理检验的精度。

等效原理的高精度实验检验在验证爱因斯坦广义相对论和寻找新的相互作用力方面都有着重要意义。为验证等效原理的适用范围，宏观物体和微观尺度的等效原理检验实验同样重要。原子干涉仪实验技术的发展，为人们提供了一种在微观尺度上高精度检验等效原理的新方法。目前国际上用原子干涉仪检验等效原理的最好水平为10^-8，而地球转动引起的科里奥利力是其达到更高检验精度的最主要限制因素之一。为了使科里奥利力对原子干涉仪等效原理检验实验的影响降低两个量级，本项目通过控制XY两个方向上音圈电机的运动来实现对拉曼光反射镜的转速控制，使得反射镜转动速率与地球转动相同，而方向相反，从而补偿掉由地球转动带来的科里奥利力效应。为了解决科里奥利力引起的系统误差问题，同时保证振动噪声的隔离水平以及抑制台面倾角的长漂，我们将转动补偿系统与主动隔振系统设计为一体，整个系统包含两个闭合回路：第一路由加速度计连续采集竖直方向（Z方向）的振动信号，经过反馈算法后，通过压控电流源(VCCS)驱动平台正中的音圈电机来抑制此方向上的振动噪声；第二路由一个精度为0.1 μrad的电子水平仪实时测量XY方向上的台面倾角，同样经过数字控制系统后反馈控制XY两个方向上的音圈电机来精密控制隔振台面的转动。将X方向转速固定时扫描Y方向上的转动速度，每改变一次转速做一个干涉条纹，并记录此时条纹的对比度，由此可以得到Y方向转速与原子干涉条纹对比度关系的曲线，曲线拟合的极大值点就是对地球转动补偿的最优点，也即台面转动速度的锁定参考值。通过这个方法，我们在实验中实现了对地球转动速度~1%精度的补偿，有效地将科里奥利效应引起的系统误差水平降低了近两个量级。这为将来在10^-10精度上进行基于原子干涉的等效原理验证实验打下了坚实的基础。