基于拓展脉冲序列大动量转移原子干涉技术的重力梯度测量

Gravity gradiometer based on cold atom interferometer is a new type of instrument for high precision gravity gradient measurement, which is of great significance and with widespread application prospect in fundamental physics research, resource and environment exploration, and national defense construction fields. Given the size of physical system, atom’s large momentum transfer technique can improve the sensitivity of atom interferometer for several times or even for orders. The extended Laser pulse sequences large momentum transfer scheme is the one with best application potential. However, during the large momentum recoil, the atoms’ Doppler frequency shift will decrease the contrast of the atom interferometer fringes, which will consequently restrict the amplitude of the improvement. This project will employ large momentum transfer technique in the gravity gradient measurement for the first time, and making use of the composite Raman laser pulses to take the place of single Raman laser pulses in the traditional extended laser pulse sequences scheme, in order to reduce the atomic transition sensitivity to the laser frequency, and finally solve the problem of the fringe contrast decrease. Under the same evolution time interval of atoms, the measurement sensitivity of the gravity gradiometer is expected to be improved 5-10 times.

原子干涉重力梯度仪是一种新型的高精度绝对重力梯度测量仪器，在基础物理研究、资源环境勘察和国防建设等领域均具有极其重要的意义和广阔的应用前景。原子大动量转移技术可以在相同尺寸的物理系统中，成倍甚至成量级地提高原子干涉仪的测量灵敏度。拓展脉冲序列方案是最具应用潜力的原子大动量转移方案，但原子在动量反冲过程中所产生的多普勒频移会导致原子干涉条纹对比度的严重下降，限制测量指标的进一步提高。本项目将首次将大动量转移技术应用于冷原子干涉重力梯度仪当中，并利用复合拉曼激光脉冲代替传统拓展脉冲序列方案中的简单拉曼激光脉冲，大幅降低原子跃迁对激光频率的敏感性，解决原子干涉条纹对比度下降的问题。预期在相同的原子自由演化时间内，可将原子重力梯度仪的测量灵敏度提高5-10倍。

原子重力梯度仪是一种基于原子干涉仪的新型的高精度重力梯度测量仪器，在基础物理研究、资源环境勘察和国防建设等领域均具有很重要的意义和应用前景。原子大动量转移技术可以在保持物理系统尺寸和总测量时间不变的前提下，显著提高原子干涉仪的测量灵敏度。本项目开展了基于受激拉曼绝热捷径脉冲（STIRSAP）的原子干涉仪大动量转移技术以及相关原子重力梯度仪技术的研究，主要研究内容和成果包括：.开展了理论分析计算并进行了实验设计，主要分析了大动量转移脉冲的光束尺寸、脉冲时间宽度、单光子失谐以及大动量转移过程中原子中心位置偏移对原子干涉条纹对比度的关系；并开展了大动量转移脉冲的强度及频率波形、大动量转移拉曼脉冲序列的设计工作。.课题组针对实验系统进行了设计、装调，研制了窄线宽半导体激光器、光纤式激光功率放大器、共振型电光调制器、数字射频源及射频功放、多通道磁场控制器、调制转移稳频电路以及拍频稳频电路等一系列小型化光学、电路组件并实现了一整套具备集成化特征的集成化光学系统和电路系统。.课题组搭建了大动量转移原子干涉仪实验系统并开展了针对受激拉曼绝热捷径脉冲（STIRSAP）物理特性的实验研究，主要包括拉曼激光脉冲时长对原子干涉条纹对比度的影响、拉曼激光光强对原子干涉条纹相位的影响、不同脉冲时长下拉曼激光双光子失谐对原子内态跃迁效率的影响，我们利用上述研究结果进行实验参数优化，最终实现了6 hk的原子大动量转移并观测到对比度28%原子干涉条纹。.课题组进一步发展了基于同步啁啾参考光的拉曼光边载比的测控及反馈技术、基于磁场调制的差分相位提取技术和基于淬灭光的末态归一化探测技术并应用与原子重力梯度仪，最终实现了高精度的垂向原子重力梯度测量，经过噪声共模抑制之后的重力梯度测量精度为7.5 E，达到国际先进水平。.本项目所取得的研究成果对于原子重力梯度仪大动量转移技术的发展具有重要意义，对于原子重力仪、原子陀螺仪相关技术的发展也具有重要的参考价值。