原子干涉重力测量中磁场梯度效应研究

Precise gravity measurements have important applications in geophysics, underground structure detection and inertial-sensor navigation. In precise atom-interferometry gravity measurements, the magnetic-field gradient in interference region, will induce unnegligible bias. In this program, the magnetic-field gradient in interference region is planned to be precisely measured using magnetic-sensitive atom interferometry, and then the corresponding bias will be calculated, which will be compared with the experimental result. The precision of measuring magnetic-field gradient is expected to be better than 1μG/mm by adopting the simultaneous differential measurment using double atomic fountains, based on which the bias induced by magnetic-field gradient is expected to be alleviated in our gravity measurement by atom interferometry aimed at 10^(-10)g level. In addition, this method can be applied in atomic fountain clocks, atom interferometry gradiometers and atom gyroscopes.

高精度重力测量在地球物理、地下勘探和惯性导航等领域有着重要的应用。在高精度原子干涉重力测量中，干涉区磁场梯度会引起不可忽略的偏差。本课题拟利用磁敏感原子干涉仪对干涉区的磁场梯度进行精确测量，根据测量结果计算出磁场梯度引起的偏差，并与实验结果对比。通过双原子喷泉同时差分测量的方法，实现磁场梯度测量精度好于1μG/mm，以此来解决我们采用原子干涉仪在10^(-10)g水平测量重力加速度实验中磁场梯度引起的偏差问题。另外，本方法还可以应用于原子喷泉钟、原子干涉重力梯度仪、陀螺仪等精密测量中。

高精度重力测量在地球物理、地下勘探和惯性导航等领域有着重要的应用。在高精度原子干涉重力测量中，干涉区磁场梯度会引起不可忽略的偏差。本课题利用磁敏感原子干涉仪对干涉区的磁场梯度进行精确测量，根据测量结果计算出磁场梯度引起的偏差，并与实验结果对比，以此来解决我们采用原子干涉仪在更高水平测量重力加速度实验中磁场梯度引起的偏差问题。本项目原计划有三个主要研究内容，第一是高精度磁场梯度测量研究，第二是利用磁场梯度数据对重力测量的修正计算研究，第三是磁场梯度影响的对比实验研究。针对这三个研究内容，首先，我们在前期已经实现7μG/mm分辨率水平的磁场梯度测量基础上，进一步分析了原子团温度、AC-Stark频移等的影响，将磁场梯度测量精度提高到了1μG/mm水平。同时，我们进一步考虑磁场梯度在干涉脉冲作用时段的影响，以及干涉过程中两条路径在空间分离的实际情况，完善了磁场梯度影响的修正计算。最后，我们分别在拉曼光速度不敏感和敏感两种配置下进行了调制实验，即改变偏置线圈电流，比较两种电流情况下，修正计算给出的磁场梯度影响和实验实际测出的影响。该对比实验证实通过该方法我们可以将磁场梯度影响修正到35μGal水平。进一步结合反转拉曼光方向方法，可以将磁场不均匀影响减小至0.1μGal水平。这些研究，加深了我们对原子干涉仪中磁场梯度影响的理解，为原子干涉重力更高精度测量以及其它涉及到磁场影响的原子干涉精密测量提供了一种有效的解决方案。另外，在本项目执行过程中，我们受到启发，通过改变磁场梯度来控制原子干涉仪的相移，可以将原子干涉重力梯度仪的两个干涉条纹同时锁定在条纹中心。这种双条纹锁定将我们课题组原子干涉重力梯度测量灵敏度提高了3倍，而采样率提高了10倍，并且该方法可以推广到原子干涉转动测量、原子干涉万有引力常数测量等精密测量实验中。