基于冷原子干涉原理的绝对重力加速度测量装置具有灵敏度高、可长期测量等优点,在基础物理研究以及资源勘探、惯性导航等领域具有十分重要的意义,是公认的下一代绝对重力仪.本文描述了原子干涉重力测量的原理,总结了硬件系统组成和性能要求,指出了限制测量精度和工程化应用的主要因素,并综述了原子重力仪工程化发展的现状和趋势.

里德堡原子是处于高激发态的原子,其主量子数大、寿命高,具有极化率高、电偶极矩大等特点,对外电场十分敏感.基于热蒸气室中里德堡原子的量子干涉原理(电磁感应透明和Autler-Towns分裂效应)的微波电场精密测量不仅具有远高于传统偶极天线的灵敏度,且具有自校准、对外电场干扰少、测量频率范围大等优点,是下一代电场测量标准.本文综述了里德堡原子的微波电场测量研究,详细介绍了其基本原理和当前研究进展,并讨论了未来发展方向.

相干激光的性能对原子干涉仪的测量精度有着重要影响.本文介绍了一种制备相干激光的外差式光学锁相环系统,实现了两台外腔半导体激光器频率和相位的同步,锁相后的激光拍频线宽低于1 Hz,10 MHz积分带宽内的残余相位噪音为0.002 rad2,频偏1 ～100 kHz范围内的相位噪音达到-100 dBc/Hz.并研究了闭环相位噪音对原子干涉仪的影响,在自由演化时间为200 ms、拉曼π脉冲时间为30μs、单次循环时间为1 s条件下,锁相后相位噪音对重力测量灵敏度的贡献为10 μGal/√Hz,完全满足高精度原子干涉仪的使用需求.

原子干涉重力仪是一种测量重力加速度的新型仪器.振动噪声会在很大程度上影响原子干涉重力仪的测量精度.为实现高精度的重力加速度测量,在使用原子干涉重力仪测量重力加速度时,必须对振动噪声进行控制.分析了原子干涉重力仪的隔振需求,阐述了原子干涉重力仪隔振系统的研究进展,介绍了以音圈电机为驱动的隔振方法、以压电陶瓷为驱动的隔振方法、振动补偿法三种应用于原子干涉重力仪的隔振方法,总结每种隔振方法的特点及适用场景,并展望原子干涉重力仪隔振技术未来的发展方向.

原子干涉重力仪凭借高精度小型化的优势,在高精度重力测量方面具有良好的发展前景.目前原子干涉重力仪在使用过程中,通常使用传统拉曼三脉冲方法对原子团进行分束合束的干涉操控,但不同的干涉操控方法会导致最终原子干涉条纹的测量精度的不同.介绍了几种原子干涉的操控方法,在传统原子干涉操控方法的基础上,增大原子干涉闭合回路的干涉面积,进而能够提高原子干涉条纹的分辨率.对这几种方法进行了比较,分析了每种方法需要的实验条件,得出了几种原子干涉操控方法对原子干涉重力仪的测量的影响.提出了提高原子干涉重力仪测量精度的建议,为后续更高精度的原子干涉重力仪的研究提供了参考.

在冷原子干涉实验中需要用激光冷却并操控原子,因此对半导体激光器频率的稳定性要求较高.由于半导体激光器本身线宽较大,功率稳定性差,还可能产生慢漂和跳模等现象,故需对半导体激光器进行稳频.本文介绍了饱和吸收谱稳频、波长调制稳频、调制光谱稳频、调制转移光谱稳频、双色激光稳频、频率电压转换稳频6种冷原子干涉实验中常用的稳频方法,分别阐述了各方法的原理、特点、适用领域,为半导体激光器的实际应用提供了参考.