基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪的制作方法

本发明涉及一种基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，属于超冷原子和角速度测量领域。

背景技术：

1、现在有的角速度的测量方法除了转子陀螺仪、光学陀螺仪、振动陀螺仪之外，基于原子干涉原理的角速度测量系统是该方向的重点研究对象。原子干涉中的角速度测量主要是利用了萨格纳克干涉测量法。该方法通过操控原子波包的分裂，穿过包围一个区域的两条路径，然后重新组合。产生的干涉信号取决于系统的旋转率和路径所包围的区域的面积。虽然光学萨格纳克干涉仪是当今角速度测量中的重要组成部分，但灵敏度和稳定性有限。上抛式、对抛式和连续束式原子干涉仪本质上更灵敏，并表现出优越的陀螺仪性能。但其好处还不足以抵消原子系统所需的设备尺寸和复杂性的大幅增加。这些问题可以使用限制在引导势或势阱中的原子来克服，与原子落入自由空间相反。势阱可以支撑原子对抗重力，因此可以在不需要很大的下落距离的情况下实现长的测量时间。势阱还可以控制原子的轨迹，使它们在形成闭合干涉环路，为给定的线性尺寸提供了一个大的封闭区域，适用于在运动载体上进行测量。此外传统的原子干涉仪采用的冷原子温度在10微开尔文量级，温度越低，测量精度越高；而本专利提出采用波色-爱因斯坦凝聚体可以达到100纳开尔文以下，具有较低的温度和较高相干时间，可以进一步的提高测量精度。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的所需的设备尺寸和复杂性和角速度测量精度无法兼顾的问题，本发明的目的是提供一种基于时间轨道势阱的超冷原子干涉仪，利用更低温度的超冷原子，比冷原子相干时间更长，灵敏度更高，能够在一个较小的体积内实现较大的干涉面积和较高的角速度灵敏度，并适用于运动载体。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，包括光学平台、冷却激光光源、光阱光源、bragg脉冲光源、真空腔、任意波发生器、信号发生器和6个磁场线圈。

4、真空腔位于光学平台之上；6个磁场线圈位于真空腔的周围，用于产生交流磁场；信号发生器用于给磁场线圈提供交流电流；冷却激光光源、光阱光源、bragg脉冲光源分别用于产生冷却光、光阱光、bragg脉冲光；所述冷却光在三个正交方向上，每个方向有有两束对向光；bragg脉冲光为一维驻波光；光阱光和bragg脉冲光均为两束正交光，且光阱光和bragg脉冲光的光束方向重合；任意波发生器用于发生脉冲光的脉冲时序。

5、采用所述超冷原子差分干涉陀螺仪实现角速度测量的方法，包括如下步骤：

6、步骤一、利用冷却光对原子进行初步冷却，得到光学黏团，再通过光阱进行蒸发冷却得到超冷原子；

7、步骤二、缓慢降低光阱光强，将超冷原子绝热载入到时间轨道势阱中；

8、步骤三、再利用正交的bragg脉冲作用超冷原子两次，将其分成四个原子团，实现每个原子团在时间轨道势阱中做圆周运动；在原子团重合时刻，应用第三个bragg脉冲，该脉冲与第二个脉冲方向、时序完全相同，得到干涉结果；

9、步骤四、最后利用吸收成像法得到原子密度分布信息，计算得出干涉结果sδ和重复步骤一至三10次，得到10组干涉结果sδ和最后利用10组干涉结果进行椭圆拟合得出萨格纳克相位φs，进而得到系统角速度ω：

10、

11、其中，ω为系统角速度；a为萨格纳克干涉路径面积，m为原子质量，为约化普朗克常数，k0为脉冲光晶格波矢，ω0为谐振子阱频率。

12、步骤三的具体实现方法：

13、a.利用冷却光得到冷原子，再将冷原子装载至光阱中，而后进行蒸发冷却得到超冷原子；

14、再通过光阱线性降低光强，超冷原子实现绝热转移到时间轨道势阱中心。

15、b.在t＝0时刻，方向对超冷原子应用bragg脉冲，将超冷原子分裂成速度为±vb的两团，分别沿方向做简谐运动，速度其中k0为bragg脉冲光晶格激光波矢，为约化普朗克常数，n为正整数，表示bragg脉冲施加给原子的反冲动量个数。

16、c.在t＝π/(2ω0)时刻，两团超冷原子分别运动到简谐振动的最大位移处。此时在方向对两团超冷原子施加bragg脉冲，每团超冷原子在方向上也分成两团。

17、d.此时共有四个原子团。上边两团超冷原子相互干涉，下边两团超冷原子相互干涉。上面两团原子表示方向bragg脉冲产生的量子态+|vb，δ>和-|vb，δ>，分别沿逆时针和顺时针方向做圆周运动。其中下面两团原子表示方向bragg脉冲产生的量子态和分别沿顺时针和逆时针方向做圆周运动；

18、e.在t＝2π/ω0时刻，四团原子运动一周后返回到最初位置，应用第三束bragg脉冲，分别得到上下两个零态原子比例的干涉结果sδ和重复以上步骤10次测量，得到10组干涉结果，再通过椭圆拟合得出萨格纳克相位φs，根据步骤四推算出系统角速度。

19、步骤四的具体实现方法：

20、a.因萨格纳克效应，上面两团原子沿相反方向运动一周后，两团原子相位差会附加萨格纳克相位：

21、

22、其中，为约化普朗克常量，δl为量子态的角动量差，ω为系统角速度矢量，m为超冷原子质量，ω为系统转动方向角速度大小，原子波包运动环路面积a＝πr2，r为圆形干涉环路半径。而下面两团原子相位差会附加萨格纳克相位-φs；因系统噪声，上下两干涉过程中的干涉相位会产生一定偏差φ′，所以上面两团原子相位φδ和下面两团原子的相位分别为：

23、φδ＝φs+φ′

24、

25、进行差分处理，得到差分相位δφ：

26、

27、b.经过第三个的bragg脉冲，得到干涉结果sδ和上部分原子会有sδ＝cos2(φδ/2)的比例被转移到动量为零的量子态，下部分原子会有的比例被转移到动量为零的量子态，通过该式子变化为重复10次测量，将测量结果联立，拟合sδ、关于φs、φδ椭圆参数方程，得到萨格纳克相位φs，进而通过式子推算出系统角速度。

28、有益效果：

29、1、本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，利用更低温度的超冷原子代替冷原子，相比于冷原子实现的干涉仪，超冷原子相干时间更长，有利于实现更长时间的干涉，进而实现更大的干涉面积，利于提高角速度测量精度。

30、2、本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，采用两套超冷原子干涉仪差分的方法，实现对掩盖旋转信号的相位噪声进行共模抑制，提高信噪比，进而提高角速度信号提取精度。

31、3、本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，采用时间轨道阱对超冷原子的轨迹进行控制，使其形成闭合的干涉环路，显著减小对外围载体平面校准与重力垂直的难度

32、4、本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，采用势阱束缚超冷原子的方法，相对于传统的上抛式冷原子干涉陀螺仪，该方法能在较小的体积内实现较大的干涉面积和较高的角速度灵敏度。

33、5、传统的上抛式冷原子陀螺仪在运动载体上无法正常探测，因为运动过程中，原子会碰到真空壁，干涉过程被破坏，无测量结果。本发明公开的基于时间轨道势阱的超冷原子差分干涉陀螺仪，干涉过程会在势场中进行，测量过程不受载体运动的影响，可用于运动载体上。