基于超稳激光的大型被动激光陀螺仪的研究

High sensitivity Earth rotation measurement plays an important role in inertial navigation, satellite positioning, geophysics and fundamental physics. Our project aims to improve the Earth rotation measurement to a new sensitivity level through the research on large passive ring laser gyroscope, which has important applications in the frontier of fundamental physics and major national strategy demands. The project focuses on the research of a large passive ring laser gyroscope based on ultra-stable lasers. The scale factor of the gyroscope will be controlled by the ultrastable lasers. The short term stability of the ultrastable laser is stabilized by an ultrastable cavity, and its long term stability is controlled by an optical frequency comb which is referenced to an H-maser. According to our calculations, the designed large passive ring laser gyroscope can be used in many fundamental physical experiments, such as experimental tests of the General Relativity, time variance of the gravitational constant G, and so on. We plan to build a large passive ring laser gyroscope H-ring with a perimeter of 4 m, and an area of 1 m^2 as a feasibility prototype. The sensitivity of the gyroscope can reach a level of 5*10^(-10) rad/s/√Hz.

高灵敏度的地球自转角速度测量在惯性导航、卫星定位、地球物理和基础物理等许多领域有着重要的作用。本项目意在通过对大型被动激光陀螺仪的研究，将地球自转的测量推进到新的灵敏度范围，发挥它在基础物理前沿和国家重大战略需求中的重要作用。本项目研究基于超稳激光的大型被动激光陀螺仪，其尺度稳定性由超稳激光控制。超稳激光的短稳锁定到一个超稳腔上，长稳锁定到由氢钟参考的飞秒光纤光梳上。通过计算表明，设计的大型被动激光陀螺仪可用于开展广义相对论的验证、万有引力常数G是否随时间变化等基础物理实验。我们计划搭建一个周长4 m，面积1 m^2的大型被动激光陀螺仪H-ring作为验证方案可行性的原理样机，灵敏度目标为5*10^(-10) rad/s/√Hz。

陀螺仪是精密转动测量和惯性导航中最重要的仪器之一，具有高分辨本领、 精密转动测量和惯性导航中最重要的仪器之一，具有高分辨本领、优良的稳定度和超大量程等优点。利用大型激光陀螺仪可以测量与地球自转相关的极移和固体潮，周年极移和钱德勒摆动，日长变化，以及在地球上直接测量由自转而产生时空拖拽的Lense-Thirring效应等。我们搭建并实现1 m*1 m 的大型被动激光陀螺仪，环形腔的精细度达到141000，对应Q值为5.3*10^(11)。将自由运转的半导体激光器的输出光分别沿着逆时针方向和顺时针方向注入环形腔，将两束光分别锁定到环形腔两个方向的相邻纵模的共振峰上。实现地球自转引起的转动信号的采集和分析，在6-50 Hz频段内旋转测量灵敏度达到为2*10^(-9) rad/s/rtHz。利用超稳激光实时测量了陀螺仪腔长变化及其对陀螺仪转动信号的影响，扣除腔长贡献，旋转测量分辨率在4000 s处达到7*10^(-10) rad/s。目前系统受限于探测噪声，剩余幅度调制和腔长的变化。与此同时，利用超稳腔稳频和锁定到氢原子钟的飞秒光梳，实现1秒到千秒时间范围内稳定度均好于10^(-14)的超稳激光。为了实现陀螺仪系统的长期稳定性和连贯性，我们通过利用数字锁定方法设计自锁定程序来实现超稳光源的快速自锁定。进行了深入的误差分析，为实现更大尺度的大型激光陀螺仪给出关键参数设计。我们的结果将被动式激光陀螺仪的转动测量敏感度提高到了新的水平，全频段好于其他被动式激光陀螺仪的现有水平。展现了被动式激光陀螺仪还有很大的潜力可以以更小的代价实现更高精度的地球旋转测量。