联合相位工作模式下的冷原子重力仪的系统误差研究

Joint phase in interferometers is a technique utilizing common beam splitter and/or combiner in different interferometer loops. This technique leads to correlation of detected phases of different loops. In atomic clock, joint phase of microwave pulses has the effect of suppressing the phase noise of local oscillator. In cold atom gyroscope, this technique shows the possibility of improving the sensitivity and removal of measurement dead time. The experiment part of this research is to build joint phase gravimeter and verifying its suppressing efficiency for vibration. According to the operation of the joint phase gravimeter, atom in free-falling will interact with more than one pair of Raman lasers. The theoretical study of atom state during the interferometry process and its formula of the detected signal will determine the systematic error for precise gravity measurement. This research is the first attempt to realize joint phase gravimeter and focus the study of main obstacles in precise gravity measuring. Joint phase for atomic sensors broaden the fields of different vibration level for gravity measurement applications.

联合相位是指在干涉过程中，不同干涉回路之间共用分束、合束器，使得不同回路的干涉信号之间建立相位关联的一种方法。在微波原子钟中使用联合相位方法，可以做到对本地振荡器的相位噪声的抑制。用于冷原子陀螺仪，可以降低振动影响提高陀螺仪的灵敏度，消除陀螺仪测量的死区时间。本项目提出把联合相位技术用于冷原子重力仪的研究，通过构建联合相位的实验装置，研究联合相位对于仪器运动过程中产生的噪声的抑制作用。联合相位原子重力仪需要原子同时受到多组份的拉曼激光作用，其原子态的演化过程和其干涉的信号形式将有较大的变化，由此也会产生重力测量的新的系统误差。本项目将理论分析联合相位重力仪中的系统误差，特别是双光子频移产生的系统误差，并用实验加以验证。本项目的研究首次涉及到联合相位冷原子重力仪的实验方案，瞄准该方案进行精密重力测量的主要问题和系统误差进行研究，以期提升冷原子重力仪的测量性能，拓展其应用领域。

项目背景：.冷原子干涉重力仪对于大动态范围的振动噪声抑制能力是限制其在运动载体上进行测量应用的主要限制因素。本项目采用联合相位的方法，结合经典振动传感器测量的手段，有望进行大动态范围的加速度测量。联合相位的原理是借鉴微波钟中共用分束合束脉冲技术，在每个干涉周期结束的合束脉冲作用的同时，进行下一次干涉开始的分束过程。这样振动相位信息就会在两次干涉过程中共享，形成干涉信号之间的关联，从而提高对振动噪声的抑制。..主要研究内容：.本项目实验研究的重点是实现联合相位的原子干涉信号，包括改造重力仪实验装置，调节时序和控制参数，优化原子干涉过程的各个参数。理论研究内容包括：拉曼激光产生的系统误差分析、联合相位干涉信号处理方法研究和振动抑制效果研究。..实验上实现了下落式原子快速下落和探测技术，为实现联合相位干涉提供了原子源和实验控制的基础。实现了多频率拉曼激光对和原子的受激跃迁作用，理论上可以同时将多个速度的原子进行分束、合束操纵。推导出了几种联合工作模式下的双光子频移的计算公式。编写了使用振动信号滤波分析作为辅助的，联合相位干涉信号的分析软件。理论模拟了不同振动水平下，联合相位的振动抑制能力。..虽然实验上还未实现联合相位重力干涉信号，但是本项目的研究构建了联合相位干涉的的基本要素，探索了实验方案的难点，为新的实验设计提出了建议的方案和参数。本项目的信号分析和滤波分析软件可以用于联合相位重力仪数据分析，也可以应用在更多的联合相位干涉信号处理过程中。.