李潤(rùn)兵，姚戰(zhàn)偉，魯思濱，蔣 敏，李少康，王 謹(jǐn)，詹明生

(中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，原子精密感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

0 引言

隨著原子分子物理的發(fā)展，人們開(kāi)始研制原子干涉陀螺儀。在國(guó)際上，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家率先開(kāi)展了原子干涉陀螺儀的研究，研究方案可以歸納為兩類(lèi)：其一是冷原子干涉陀螺儀，法國(guó)巴黎天文臺(tái)首先實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為2.2×10-6(rad/s)/Hz1/2，分辨率為1.4×10-7(rad/s)@600s[1]；美國(guó)斯坦福大學(xué)冷原子干涉陀螺儀的靈敏度為8.5×10-8(rad/s)/Hz1/2[2]；德國(guó)漢諾威大學(xué)冷原子干涉陀螺儀的靈敏度為1.2×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為2.6×10-8(rad/s)@100s[3]。我們國(guó)家也非常重視原子干涉陀螺儀，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院(簡(jiǎn)稱(chēng)精密測(cè)量院)等相繼開(kāi)展了冷原子干涉陀螺儀研究。精密測(cè)量院在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉儀[4]，通過(guò)研究受激拉曼過(guò)程中的相關(guān)物理問(wèn)題[5-7]，解決原子干涉儀中的技術(shù)難題并發(fā)展新方法[8-10]，實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉陀螺儀[11]的靈敏度為1.2×10-6(rad/s)/Hz1/2，分辨率為6.2×10-8(rad/s)@2000s[12]。近期，法國(guó)巴黎天文臺(tái)研制出高度為2m的四脈沖冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為3.3×10-8(rad/s)/Hz1/2，分辨率為3×10-10(rad/s)@10000s[13-14]；精密測(cè)量院研制出長(zhǎng)度為1m的三脈沖冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為1.5×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為9.5×10-10(rad/s)@23000s[15]。其二是原子束流干涉陀螺儀,美國(guó)耶魯大學(xué)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為2m的原子束流干涉陀螺儀，靈敏度為6×10-10(rad/s)/Hz1/2 [16-17]，分辨率為3.4×10-10(rad/s)@17000s[18]。目前，原子干涉陀螺儀還有很大的提升空間，發(fā)展高精度原子干涉陀螺儀非常必要。

原子干涉陀螺儀作為一種新型精密測(cè)量?jī)x器，可以精確測(cè)量載體的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，因此，研制高精度原子干涉陀螺儀對(duì)發(fā)展我國(guó)精密測(cè)量科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)有著重要的意義。由于原子的量子屬性，決定了原子干涉陀螺儀具有更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、漂移小、精度高，且通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積分后能夠達(dá)到更高的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量分辨率。為了能夠更好地將原子干涉陀螺儀用于精密測(cè)量科學(xué)和技術(shù)，人們正在探討如何提高原子干涉陀螺儀測(cè)量精度的命題。原子干涉陀螺儀的測(cè)量精度主要取決于兩個(gè)方面：其一是如何增大原子干涉環(huán)路面積；其二是如何盡可能地降低原子干涉條紋的相位噪聲。一方面，隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展和成熟，冷原子干涉陀螺儀將在小型化、集成化等方面更具優(yōu)勢(shì)，且在長(zhǎng)航時(shí)高精度慣性導(dǎo)航定位方面具有更大的發(fā)展?jié)摿?，因此，研制冷原子干涉陀螺儀對(duì)發(fā)展我國(guó)長(zhǎng)航時(shí)高精度慣性導(dǎo)航定位技術(shù)有著重要的意義；另一方面，振動(dòng)噪聲是限制高精度原子干涉陀螺儀的最主要因素，原子束流相對(duì)受重力的影響更小，從靈敏度函數(shù)分析可知，在不考慮尺寸限制的情況下，采用拉曼激光相干操作原子束流的方案更適合研制大型高精度原子干涉陀螺儀，可用于廣義相對(duì)論檢驗(yàn)等精密測(cè)量物理[19]。

本文綜述了原子干涉陀螺儀的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。首先介紹了廣義相對(duì)論檢驗(yàn)對(duì)原子干涉陀螺儀的需求，然后介紹了原子干涉陀螺儀在慣性導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合原子干涉陀螺儀在精密測(cè)量和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的需求，綜述了在原子干涉陀螺儀方面取得的研究成果和研究進(jìn)展。最后，對(duì)原子干涉陀螺儀未來(lái)的發(fā)展前景和發(fā)展趨勢(shì)做出了分析和展望。

1 原子干涉陀螺儀廣義相對(duì)論檢驗(yàn)

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理的兩大支柱，如何將量子理論中的概念應(yīng)用到廣義相對(duì)論的框架中仍然是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題，雖然有證據(jù)顯示廣義相對(duì)論理論并不完善，但廣義相對(duì)論效應(yīng)檢驗(yàn)一直是國(guó)際上物理學(xué)家極為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。廣義相對(duì)論是描述物質(zhì)間引力相互作用的理論，這一理論把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空彎曲。在廣義相對(duì)論框架下，旋轉(zhuǎn)物體和非旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生不同的引力場(chǎng)，例如，1916年荷蘭物理學(xué)家威廉·德西特(Wil-lem de Sitter)預(yù)言引力場(chǎng)時(shí)空曲率造成測(cè)試質(zhì)量的自旋角動(dòng)量沿測(cè)地線(xiàn)進(jìn)動(dòng)，被稱(chēng)為測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)(Geodetic Effect)[20]；1918年奧地利物理學(xué)家約瑟夫·蘭斯(Joseph Lense)和漢斯·蒂林(Hans Thirr-ing)預(yù)言旋轉(zhuǎn)物體對(duì)周?chē)鷷r(shí)空產(chǎn)生拖拽，即參考系拖曳效應(yīng)(Frame-Dragging Effect)，這種現(xiàn)象使得測(cè)試質(zhì)量的狀態(tài)和牛頓力學(xué)的結(jié)果產(chǎn)生偏差，也被叫作蘭斯-蒂林效應(yīng)(Lense-Thirring Effect)[21]。測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)和參考系拖曳效應(yīng)為廣義相對(duì)論效應(yīng)檢驗(yàn)提供了一種實(shí)驗(yàn)方法。2004年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(Natio-nal Aeronautics and Space Administration,NASA)發(fā)射了一顆科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星引力探測(cè)器B(Gravity Probe B，GP-B)，旨在利用超高精度陀螺儀探測(cè)地球周?chē)臅r(shí)空曲率和參考系拖曳，從而對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性和精確性進(jìn)行檢驗(yàn)。GP-B的研發(fā)歷史可追溯到20世紀(jì)60年代[22]，至2004年正式升空長(zhǎng)達(dá)40多年，耗資達(dá)7億5000萬(wàn)美元。探測(cè)衛(wèi)星的飛行持續(xù)到2005年，共采集了1年的數(shù)據(jù)，其后任務(wù)進(jìn)入到了數(shù)據(jù)分析階段，2011年公開(kāi)發(fā)表的結(jié)果證實(shí)了廣義相對(duì)論所預(yù)言的測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)的準(zhǔn)確度達(dá)到0.28%，所預(yù)言的蘭斯-蒂林效應(yīng)的準(zhǔn)確度為19%，與檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)還有量級(jí)的差距[23]。提高蘭斯-蒂林效應(yīng)的測(cè)量精度非常必要，在地面獨(dú)立測(cè)量蘭斯-蒂林效應(yīng)對(duì)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)有著重要的意義。隨著陀螺儀技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始討論在地面實(shí)驗(yàn)室使用大型激光陀螺儀測(cè)量蘭斯-蒂林效應(yīng)的方案[24-25]。研制高精度陀螺儀是檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)首先要考慮的問(wèn)題，作為廣義相對(duì)論檢驗(yàn)的雛形，人們開(kāi)始研制大型環(huán)形激光陀螺儀裝置。例如，意大利實(shí)現(xiàn)了3.6m×3.6m的激光陀螺儀(GINGERino)，分辨率為3×10-11(rad/s)@500s[26]；德國(guó)實(shí)現(xiàn)了4m×4m的激光陀螺儀(G Ring)，分辨率為2×10-12(rad/s)@1800s[27]，還在研制21m×17.5m 的大型激光陀螺儀(UG-1)[28-29]；新西蘭實(shí)現(xiàn)了39.7m×21m的大型激光陀螺儀(UG2)，分辨率為2.8×10-12(rad/s)@2000s[30]；我國(guó)也非常重視大型激光陀螺儀的研制，華中科技大學(xué)等開(kāi)展了相關(guān)研究工作，分辨率為2×10-9(rad/s)@1000s[31]。

原子干涉陀螺儀是測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)信息的儀器，在廣義相對(duì)論框架下，考慮引力效應(yīng)，利用原子干涉陀螺儀也可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)，采用不同研究方案獨(dú)立地檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)能夠更好地排除系統(tǒng)誤差，有利于提高廣義相對(duì)論效應(yīng)檢驗(yàn)的可靠性。原子干涉儀的原理是利用拉曼激光相干操作原子波包，實(shí)現(xiàn)原子波包的分束、反射和合束，從而形成原子干涉環(huán)路，原子干涉條紋的相移可表示為

δФ=Keff·gT2+2Keff·(Ω×v)T2+φl(shuí)aser

(1)

其中,Keff為拉曼激光的有效波矢；T為兩個(gè)拉曼激光脈沖之間的時(shí)間間隔；v為原子的運(yùn)動(dòng)速度；g為原子感受到的重力加速度；Ω為原子干涉環(huán)路感受到的轉(zhuǎn)動(dòng)信息；φl(shuí)aser為原子干涉環(huán)路感受到的激光相位。式(1)中右邊第一項(xiàng)為重力引起的相移，第二項(xiàng)為薩格納克效應(yīng)引起的相移。當(dāng)把原子干涉陀螺儀放置在地球表面實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在廣義相對(duì)論框架下，考慮地球重力和自轉(zhuǎn)引起的薩格納克效應(yīng)、測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)和蘭斯-蒂林效應(yīng)，原子干涉條紋的總相移可表示為

δΦ?Keff·gT2+2KeffvT2ΩE[cos(θ+ψ)-

sinθsinψ)]+φl(shuí)aser

(2)

其中，r為原子干涉陀螺儀的位置；M為地球的質(zhì)量；ΩE為地球自轉(zhuǎn)速度；RE為地球的平均半徑；θ為原子干涉陀螺儀所處位置的余緯；ψ為原子干涉陀螺儀指向和所處位置地球半徑方向的余角。當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)速度相反時(shí)，式(2)中地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的原子干涉條紋的相移也是相反的。因此，采用空間對(duì)稱(chēng)的雙原子干涉環(huán)路，通過(guò)差分測(cè)量的方法扣除重力效應(yīng)和抑制激光相位等外部環(huán)境噪聲，地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的雙環(huán)路原子干涉條紋的相移可表示為

(3)

式(3)方括號(hào)中三項(xiàng)表達(dá)式分別代表著不同的含義，第一項(xiàng)為地球自轉(zhuǎn)引起的薩格納克效應(yīng)；第二項(xiàng)為地球自轉(zhuǎn)引起的測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)；第三項(xiàng)為地球自轉(zhuǎn)引起的蘭斯-蒂林效應(yīng)?？梢钥闯?，通過(guò)設(shè)置原子干涉陀螺儀的指向(ψ)，可以分離薩格納克效應(yīng)、測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)和蘭斯-蒂林效應(yīng)，并檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)。以上三項(xiàng)效應(yīng)均由地球自轉(zhuǎn)引起，因此，地球自轉(zhuǎn)速度的精確測(cè)量非常重要。

通過(guò)精確測(cè)量地球自轉(zhuǎn)信息可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論預(yù)言的蘭斯-蒂林效應(yīng)。理論分析表明，為了檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)，在武漢建立原子干涉陀螺儀裝置，如果測(cè)地線(xiàn)效應(yīng)和蘭斯-蒂林效應(yīng)要達(dá)到1%的檢驗(yàn)精度，其分辨率需要達(dá)到3.5×10-14rad/s，意味著地球自轉(zhuǎn)速度的測(cè)量精度要優(yōu)于10-9。目前,原子干涉陀螺儀的分辨率為3.5×10-10rad/s，距離檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)尚有較大的差距。然而，隨著近年來(lái)原子干涉陀螺儀的快速發(fā)展，有望盡早達(dá)到檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)所需的精度。從式(3)也可以看出，原子干涉陀螺儀的靈敏度與干涉長(zhǎng)度平方成正比，經(jīng)過(guò)前期分析，研制大型原子干涉陀螺儀(長(zhǎng)度20m)的預(yù)期分辨率可以達(dá)到檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)的精度，長(zhǎng)時(shí)間積分后可以將廣義相對(duì)論效應(yīng)檢驗(yàn)精度提高到優(yōu)于1%的水平。因此，研制大型原子干涉陀螺儀有著重要的意義，并提出了通過(guò)大型原子干涉陀螺儀實(shí)現(xiàn)在武漢緯度檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)的方案[19]。

2 原子干涉陀螺儀監(jiān)控導(dǎo)航技術(shù)

在高精度長(zhǎng)航時(shí)慣性導(dǎo)航定位方面，陀螺儀作為其核心關(guān)鍵器件，扮演著非常重要的角色，原子干涉陀螺儀具有很高的靈敏度和很好的零偏穩(wěn)定性。從目前的研究進(jìn)展來(lái)看，冷原子干涉陀螺儀的精度提升潛力巨大，是高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)最有競(jìng)爭(zhēng)力的候選之一；然而，由于工作模式和操控技術(shù)的限制，冷原子干涉陀螺儀目前還不能滿(mǎn)足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求。冷原子干涉陀螺儀的實(shí)際應(yīng)用主要受限于以下三個(gè)方面：1)典型工作模式下，冷原子干涉陀螺儀的采樣率不高。為提高冷原子陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量精度，需要降低原子的溫度以保持較窄的原子速度分布，進(jìn)而提高原子相干性、改善原子干涉信號(hào)的信噪比。同時(shí)還需要盡可能地增大原子干涉環(huán)路面積，然而，隨著原子干涉環(huán)路面積的增大，冷原子干涉陀螺儀的測(cè)量周期也隨之增加，限制了冷原子干涉陀螺儀采樣率的提高[13,32]。2)非連續(xù)的工作模式不能實(shí)時(shí)測(cè)量載體完整的動(dòng)態(tài)信息。例如，冷原子團(tuán)制備需要一定時(shí)間，而這段時(shí)間原子沒(méi)有參與到轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量中，導(dǎo)致冷原子干涉陀螺儀在測(cè)量周期中出現(xiàn)死時(shí)間。冷原子的快速裝載、原子冷卻與原子干涉過(guò)程交替運(yùn)行等技術(shù)為解決死時(shí)間提出了新的思路[33]，但是尚未完全解決死時(shí)間的問(wèn)題。3)冷原子干涉陀螺儀在轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量過(guò)程中，與重力加速度耦合在一起，改變了原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，在一定程度上限制了冷原子干涉陀螺儀的角速度測(cè)量范圍[34]。

高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)陀螺儀的采樣率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求較高，通常情況下，通過(guò)增加原子的自由演化時(shí)間來(lái)提高冷原子干涉陀螺儀的靈敏度和減小漂移。然而，增加自由演化時(shí)間會(huì)降低冷原子干涉陀螺儀的采樣率。原子干涉陀螺儀具有好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但是采樣率較低，相較而言，光纖陀螺儀采樣率較高，但是漂移較大，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。為了充分發(fā)揮冷原子干涉陀螺儀長(zhǎng)期漂移小的優(yōu)點(diǎn)、降低對(duì)冷原子陀螺儀采樣率的要求，借鑒了組合守時(shí)系統(tǒng)[35-36]和組合導(dǎo)航系統(tǒng)[37-38]的理念，實(shí)現(xiàn)了基于冷原子陀螺儀駕馭光纖陀螺儀的組合陀螺儀。該組合陀螺儀由冷原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀構(gòu)成，利用高精度冷原子干涉陀螺儀校正光纖陀螺儀，以抑制光纖陀螺儀漂移導(dǎo)致的誤差發(fā)散，從而提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性。將原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀組合使用，可以改善陀螺儀的采樣率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。例如，通過(guò)建立基于冷原子陀螺儀和光纖陀螺儀的組合陀螺儀模型及其導(dǎo)航誤差模型，將冷原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀測(cè)量得到的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇柭鼮V波器，解算得到輸出校正數(shù)據(jù)，在不同的動(dòng)態(tài)條件下，濾波器通過(guò)計(jì)算兩組轉(zhuǎn)動(dòng)角速度數(shù)據(jù)的協(xié)方差，評(píng)估其測(cè)量精度的變化，對(duì)校正量的權(quán)重進(jìn)行修正。在高動(dòng)態(tài)工作環(huán)境中，測(cè)量精度可能會(huì)變差，此時(shí)濾波器能夠快速反應(yīng)，通過(guò)降低其修正的權(quán)重，使組合陀螺儀始終保持最佳測(cè)量數(shù)據(jù)輸出。通過(guò)輸出校正數(shù)據(jù)對(duì)光纖陀螺的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，得到最終的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度數(shù)據(jù)。本文分析了校正頻率對(duì)組合陀螺儀漂移的影響和組合陀螺儀的導(dǎo)航誤差，結(jié)果表明，該組合陀螺儀方案兼顧了冷原子干涉陀螺漂移小和光纖陀螺采樣率高的優(yōu)點(diǎn)，有效減小了導(dǎo)航位置誤差，原子干涉陀螺儀監(jiān)控導(dǎo)航技術(shù)有望用于高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[39]。

3 原子干涉陀螺儀研究進(jìn)展

原子干涉陀螺儀是利用原子干涉和薩格納克效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的儀器，從前面的分析可以看出，原子干涉陀螺儀在廣義相對(duì)論檢驗(yàn)等精密測(cè)量物理研究和長(zhǎng)航時(shí)高精度慣性導(dǎo)航定位應(yīng)用技術(shù)方面均有著重要的應(yīng)用前景。本文從以下幾個(gè)方面來(lái)介紹精密測(cè)量院在原子干涉陀螺儀方面的研究工作。

3.1 冷原子干涉儀

精密測(cè)量院是國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展冷原子干涉儀的研究單位。2003年，開(kāi)始搭建冷原子干涉儀裝置，先后實(shí)現(xiàn)了原子的激光冷卻、原子的橫向推載、原子的受激拉曼躍遷、原子的相干操作、原子干涉和熒光探測(cè)等，并實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉儀[4]。

冷原子干涉儀的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。首先，為了囚禁和冷卻原子，需要將冷卻光和回泵光同時(shí)作用在原子上，采用六束冷卻光和一對(duì)反亥姆霍茲線(xiàn)圈將原子氣體囚禁在真空腔體中，從而實(shí)現(xiàn)了激光冷卻和囚禁。采用近共振的激光將冷原子從囚禁區(qū)域推載，使冷原子團(tuán)沿著水平方向從左向右飛行，在此過(guò)程中，原子被泵浦光抽運(yùn)到其中的一個(gè)基態(tài)。然后，采用三對(duì)同向傳播的拉曼激光相干操作冷原子，第一個(gè)拉曼脈沖使得原子相干分束，將其制備成兩個(gè)基態(tài)的相干疊加態(tài)；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自由演化后，第二個(gè)拉曼脈沖使得原子合束，原子布居數(shù)在兩個(gè)基態(tài)之間發(fā)生反轉(zhuǎn)；再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自由演化后，第三個(gè)拉曼脈沖使得原子波包相干重組，從而實(shí)現(xiàn)原子干涉儀。最后，采用激光誘導(dǎo)熒光的方法對(duì)原子布居數(shù)進(jìn)行探測(cè)，由于原子保持了很好的相干性，可觀測(cè)到原子干涉條紋。

圖1 冷原子干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device of cold atom interferometer

在原子干涉儀中要相干地對(duì)原子波包分束和合束，并保證原子波包在自由演化過(guò)程中保持其相干特性。本文采用三束同向傳播的拉曼激光完成了π/2-π-π/2型原子干涉儀，在實(shí)驗(yàn)中，三對(duì)拉曼激光由同一根光纖導(dǎo)引到原子干涉區(qū)，并在原子干涉區(qū)域采用λ/2波片和偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，PBS)實(shí)現(xiàn)了三對(duì)拉曼激光脈沖序列，每個(gè)PBS與原子干涉窗口之間放置一個(gè)λ/4波片，以保證三對(duì)拉曼激光均為圓偏振光(σ+,σ+)。由于磁場(chǎng)的分布對(duì)受激拉曼過(guò)程有著很大的影響，在原子干涉區(qū)沿著三對(duì)拉曼激光的傳播方向加一個(gè)固定的磁場(chǎng)，從而保證了量子化軸的方向；同時(shí)，采用三對(duì)亥姆霍茲線(xiàn)圈對(duì)原子干涉區(qū)的剩余磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)，能夠嚴(yán)格定義π/2-π-π/2的拉曼激光脈沖序列。當(dāng)掃描第三個(gè)拉曼激光脈沖的相位時(shí)，得到的拉曼型原子干涉條紋如圖2所示，得到了兩個(gè)周期的冷原子干涉條紋，與拉曼型原子干涉條紋的對(duì)比度達(dá)到了37.5%[4]。

圖2 觀察到的冷原子干涉條紋Fig.2 Interference fringe observed in cold atom interferometer

3.2 薩格納克效應(yīng)

在此基礎(chǔ)上，采用相向傳播的拉曼激光相干操作原子，從圖3(a)可以看出[11]，較同向傳播的拉曼激光，原子將感受到相向傳播的拉曼激光雙光子的反沖動(dòng)量，并能建立更大面積的原子干涉環(huán)路。用相向傳播的拉曼激光相干操作原子,線(xiàn)偏振的拉曼激光沿著與原子運(yùn)動(dòng)軌跡垂直的方向傳播,拉曼激光含有兩個(gè)頻率ω0和ω0+δ,經(jīng)過(guò)一個(gè)λ/4波片后,拉曼光沿原路返回,相向傳播的兩對(duì)拉曼激光在空間上嚴(yán)格重合,此時(shí)兩對(duì)對(duì)射拉曼激光的偏振相互垂直。由于線(xiàn)偏振的拉曼激光與原子相互作用時(shí)雙光子躍遷幾率可忽略,同向傳播的拉曼激光不與原子發(fā)生相互作用，此時(shí)只有相向傳播的拉曼激光與原子相互作用，實(shí)現(xiàn)了相向傳播拉曼激光作用后的雙光子拉曼躍遷和雙光子動(dòng)量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而能夠構(gòu)建原子分束和反射鏡。原子干涉環(huán)路的示意圖如圖3(b)所示，考慮到相向傳播拉曼激光與原子相互作用時(shí)引起的雙光子反沖動(dòng)量,利用空間分離的三對(duì)對(duì)射的拉曼激光，能夠?qū)崿F(xiàn)原子波包的相干分束、合束和重組，從而實(shí)現(xiàn)原子干涉環(huán)路，并可觀察原子干涉條紋。

(a)受激拉曼躍遷

(b)原子干涉陀螺儀圖3 受激拉曼躍遷和原子干涉陀螺儀的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of stimulated Raman transitions and atomic interference gyroscope

為了驗(yàn)證原子干涉陀螺效應(yīng)，將裝置放置在高精度轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)上，觀察轉(zhuǎn)動(dòng)引起的干涉條紋的相位移動(dòng)。由于薩格納克效應(yīng)的存在，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度改變時(shí)，將引起原子干涉條紋的相位移動(dòng)，在不同的轉(zhuǎn)速下，觀察到的原子干涉條紋如圖4所示。圖4中，綠色三角形為當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)靜止時(shí)測(cè)量得到的原子干涉條紋，黑色方塊為當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)以0.05(°)/s的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)時(shí)觀察到的原子干涉條紋，紅色圓點(diǎn)為當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)以-0.05(°)/s的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)時(shí)觀察到的原子干涉條紋，三條原子干涉條紋分別用正弦曲線(xiàn)擬合。從圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)中觀察到了轉(zhuǎn)動(dòng)引起的原子干涉條紋的相位移動(dòng)，且其與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是線(xiàn)性依賴(lài)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相當(dāng)吻合，從而在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了原子干涉環(huán)路中的薩格納克效應(yīng)，為進(jìn)一步構(gòu)建原子干涉陀螺儀提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的冷原子干涉條紋Fig.4 Cold atomic interference fringes observed at different rotation rates

3.3 地球自轉(zhuǎn)速度測(cè)量

在前面研究的基礎(chǔ)上，搭建了一套雙環(huán)路冷原子干涉陀螺儀，實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉陀螺儀及其對(duì)地球自轉(zhuǎn)速度的測(cè)量[12]。冷原子干涉陀螺儀的示意圖如圖5所示，原子被分別囚禁在兩個(gè)三維磁光阱中，采用移動(dòng)光學(xué)粘膠技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)囚禁光頻率失諧將冷原子同時(shí)對(duì)拋，以相反方向沿著相同的拋物線(xiàn)軌跡形成冷原子束；采用光泵技術(shù)將原子制備到基態(tài)作為初始內(nèi)態(tài)，使用π/2-π-π/2型脈沖的拉曼激光脈沖相干地操作原子，形成雙原子干涉環(huán)路，并用激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量另一個(gè)基態(tài)的布居數(shù)分布。同樣，當(dāng)掃描第三個(gè)拉曼激光脈沖的相位時(shí)，可以得到雙原子干涉條紋。在雙原子干涉環(huán)路中，轉(zhuǎn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化成原子干涉條紋的相位信息，利用同步差分檢測(cè)雙原子干涉條紋，扣除重力引起的相移且共模抑制了激光相位噪聲，通過(guò)測(cè)量雙原子干涉條紋的差分相位變化能夠提取轉(zhuǎn)動(dòng)信息，從而實(shí)現(xiàn)原子干涉陀螺儀。

圖5 雙環(huán)路冷原子干涉陀螺儀實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of dual-loop cold atomic interference gyroscope

整個(gè)裝置放置在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和穩(wěn)定平臺(tái)上。由于原子干涉陀螺儀的靈敏度正比于自由演化時(shí)間的平方，延長(zhǎng)原子自由演化時(shí)間可增大原子干涉環(huán)路面積。如圖5所示，采用分離拉曼激光相干操作原子，在空間上用PBS和λ/2波片將一束拉曼激光分成三束拉曼激光，然后沿著與重力相反的方向傳播，通過(guò)λ/4波片和反射鏡后，形成了三對(duì)相向傳播的拉曼激光，用拉曼激光脈沖共模地相干操作兩束相向傳播的冷原子，同時(shí)調(diào)制第三個(gè)拉曼激光脈沖的相位，可以觀察到雙原子干涉條紋，如圖6所示，原子干涉條紋的對(duì)比度分別為18%和20%。

(a)

(b)圖6 雙環(huán)路冷原子干涉條紋Fig.6 Cold atomic interference fringes observed in dual-loop interferometers

從上面的研究可以看出，在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用雙原子干涉環(huán)路，重力加速度和共模相位噪聲能夠被很好地消除，為轉(zhuǎn)動(dòng)速度的精確測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，將原子干涉陀螺儀裝置放置在轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)上，如圖5所示。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，地球自轉(zhuǎn)在原子干涉環(huán)路上的投影將發(fā)生改變，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的方位角來(lái)測(cè)量地球自轉(zhuǎn)的變化，測(cè)試結(jié)果如圖7中黑點(diǎn)所示。橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的位置，縱坐標(biāo)為雙環(huán)路原子干涉條紋的相位差，可以看出，相位的變化與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度成正弦關(guān)系，符合地球自轉(zhuǎn)速度在原子干涉環(huán)路方向的投影關(guān)系，通過(guò)正弦擬合測(cè)得的地球自轉(zhuǎn)速度與國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(International Earth Rotation Service，IERS)給出的數(shù)據(jù)一致。多次測(cè)量結(jié)果的殘余誤差如圖7中紅色三角形所示，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量誤差小于0.5%[12]。在此基礎(chǔ)上，近期設(shè)計(jì)了一套平拋的雙環(huán)路原子干涉陀螺儀，原子干涉環(huán)路的面積提高到了1.2cm2，使得新裝置的標(biāo)度因子提高了6倍，研制出的高精度原子干涉陀螺儀的靈敏度為1.5×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為9.5×10-10(rad/s)@20000s[15]。

圖7 不同方位下的冷原子干涉條紋的相移Fig.7 Phase shift of cold atomic interference fringes observed at different azimuth angles

3.4 原子束流干涉陀螺儀

在此基礎(chǔ)上，提出了采用大型原子束流干涉陀螺儀檢驗(yàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)的構(gòu)想[19]。物理系統(tǒng)裝置如圖8所示。左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)原子爐產(chǎn)生銣原子束流，采用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)增加原子數(shù)目，對(duì)射的原子束通過(guò)二維冷卻區(qū)域時(shí)進(jìn)行橫向冷卻；在原子初態(tài)制備區(qū)域，泵浦光將原子制備到其中一個(gè)基態(tài)；當(dāng)原子進(jìn)入原子干涉區(qū)域時(shí)，三對(duì)大尺度空間分離的對(duì)射拉曼激光(π/2-π-π/2)同步相干操作兩路原子束的內(nèi)態(tài)和外態(tài)；當(dāng)原子布居數(shù)發(fā)生相干轉(zhuǎn)移時(shí)，原子獲得光子動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)原子波包的相干分束、合束和重組，從而構(gòu)建雙原子干涉環(huán)路；在原子信號(hào)探測(cè)區(qū)域，采用兩個(gè)快速響應(yīng)的光電探測(cè)器觀察處于不同內(nèi)態(tài)的原子數(shù)目，從而得到原子干涉條紋。在原子干涉區(qū)域，采用三套坡莫合金磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)抑制地磁場(chǎng)和雜散磁場(chǎng)的影響，并采用三對(duì)亥姆霍茲線(xiàn)圈對(duì)剩余磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，在磁場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)內(nèi)沿著拉曼激光束傳播的方向施加均勻偏置磁場(chǎng)，以保證量子化軸的方向。

圖8 大型原子干涉陀螺儀裝置的原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of large-scale atomic interference gyroscope

采用原子束流方案研制原子干涉陀螺儀裝置，主要考慮以下兩個(gè)方面：其一是由于原子干涉條紋的相位噪聲與參與干涉的原子數(shù)目相關(guān)，原子干涉陀螺儀的靈敏度通常正比于1/N1/2,而研制高精度原子干涉陀螺儀需要更多的原子數(shù)目。與用磁光阱(Magneto-Optical Trap, MOT)技術(shù)的冷原子方案相比，采用原子束流技術(shù)的方案，可將原子數(shù)目提高106倍以上，在標(biāo)度因子相同的情況下，理論上原子干涉陀螺儀的靈敏度將會(huì)提高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。其二是原子在重力場(chǎng)中軌跡的變化和振動(dòng)噪聲的影響，原子束流方案更適合大型原子干涉陀螺儀研制。因此，研制大型原子束流干涉陀螺儀(長(zhǎng)度大于20m)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原子干涉陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的提取、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理等，實(shí)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)速度的精確測(cè)量，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。相較而言，冷原子方案更適合小型慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用。

作為地面大型激光陀螺儀和原子干涉陀螺儀檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的雛形，目前，原子干涉陀螺儀(綠色三角形：斯坦福大學(xué)[17-18]；藍(lán)色圓點(diǎn)：巴黎天文臺(tái)[1,13-14]；紅色五角星：精密測(cè)量院[11-12,15])和大型激光陀螺儀(黑色方框：LG-UG2，新西蘭[30]；LG-G Ring，德國(guó)[27]；LG-GINGERion，意大利[26]；LG-PRC，華中科技大學(xué)[31])的分辨率指標(biāo)隨時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。可以看出，在大型激光陀螺儀研制過(guò)程中，盡管不同的研究方案還在持續(xù)探索，但是面臨噪聲干擾等技術(shù)瓶頸，近年來(lái)尚未有較大的突破。也可以看出，盡管原子干涉陀螺儀與大型激光陀螺儀尚有差距，但是原子干涉陀螺儀仍有很大的潛力可挖掘。高精度原子干涉陀螺儀裝置的研制，可用于地球自轉(zhuǎn)速度的高精度測(cè)量，為原子干涉陀螺儀廣義相對(duì)論檢驗(yàn)儲(chǔ)備技術(shù)，也可用于地球極移、統(tǒng)一時(shí)間(UT1)和慣性陀螺標(biāo)定等應(yīng)用。

圖9 原子干涉陀螺儀與激光陀螺儀指標(biāo)對(duì)比Fig.9 Performance comparison between atomic interference gyroscope and laser gyroscope

4 總結(jié)與展望

原子干涉陀螺儀具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ磥?lái)有望在精密測(cè)量和應(yīng)用技術(shù)方面取得重要的科技成果。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在持續(xù)大力發(fā)展高精度原子干涉陀螺儀，我們國(guó)家也非常重視原子干涉陀螺儀的發(fā)展，且正處于關(guān)鍵時(shí)期，把握時(shí)機(jī)非常關(guān)鍵。隨著我國(guó)科技實(shí)力的提升以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)的積累，我們?cè)谠痈缮嫱勇菁夹g(shù)方面的研究水平已有大幅度提升。推動(dòng)原子干涉陀螺儀技術(shù)的發(fā)展，使其能夠盡快應(yīng)用在水下及空間探測(cè)領(lǐng)域有著重要意義。從原子干涉陀螺儀的發(fā)展來(lái)看，冷原子干涉陀螺儀已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，主要包括三脈沖冷原子干涉陀螺儀和四脈沖冷原子干涉陀螺儀。從應(yīng)用角度考慮，三脈沖原子干涉陀螺儀的應(yīng)用場(chǎng)景更廣，且更為普適，但難度較大；四脈沖原子干涉陀螺儀的環(huán)路面積與重力加速度相關(guān)聯(lián)，在空間微重力環(huán)境或?qū)Ш綉?yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)受到很大的限制，使得應(yīng)用場(chǎng)景受限；原子束流干涉陀螺儀相對(duì)發(fā)展較緩，主要受限于原子束流的橫向溫度很難實(shí)現(xiàn)較好的亞多普勒冷卻，成為原子束流干涉陀螺儀的制約因素。

未來(lái)需要從以下幾方面開(kāi)展原子干涉陀螺儀研究，其一是瞄準(zhǔn)精密測(cè)量科學(xué)研究，進(jìn)一步提高原子干涉陀螺儀的精度。目前，制約原子干涉技術(shù)精密測(cè)量精度的主要因素是原子干涉環(huán)路面積較小，需通過(guò)進(jìn)一步理論與實(shí)驗(yàn)探索，提升原子干涉陀螺儀的測(cè)量精度。其二是瞄準(zhǔn)慣性導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)，開(kāi)展原子干涉陀螺儀工程技術(shù)攻關(guān)。制約原子干涉陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的主要因素是目前集成度較低，體積較大，難以在中、小型載體上應(yīng)用。其三是原子干涉陀螺儀的測(cè)量帶寬較小，制約其應(yīng)用范圍。針對(duì)以上應(yīng)用困難，一方面，可通過(guò)原子快速裝載技術(shù)和連續(xù)交替操作的方案來(lái)提高原子干涉陀螺儀的測(cè)量精度和測(cè)量帶寬，擴(kuò)大應(yīng)用范圍；另一方面，可通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部組件的小型化研究，減小整機(jī)體積，加快工程應(yīng)用進(jìn)度。