原子惯性器件的基本的工作原理及主要特点.ppt

原子惯性器件的基本工作原理及主要特点 自动化学院 双控 丰先家 2120120972 原子陀螺仪 现代物理不断的发展，带来了量子力学、原子操控、现代光学等技术飞速进步。从20世纪90年代末至今，冷原子技术(1997年、2001年诺贝尔奖)、原子光学技术(2005年诺贝尔奖)等现代物理基础理论和关键技术获得突破，以原子作为敏感介质的精密测量得到了高度的关注。原子的能级性质、波动性质、自旋性质为精密测量提供了依据，现已应用于时间测量、频谱测量、重力测量和转速测量。原子的波动性和自旋性质成为了原子陀螺仪的物理机制，由此产生的原子陀螺仪可能代表了未来超高精度陀螺的发展方向之一，从而对未来惯性导航产生深远的影响。 原子陀螺仪 采用原子陀螺的相关技术具有实现超高精度的、具有重力梯度补偿和高精度时频基准的集成惯性导航系统，实现惯性导航的全部功能的潜力，这也是原子惯性导航系统成为未来惯性导航系统首选的主要原因。 原子陀螺仪是以原子干涉仪为核心的转动测量装置，它利用原子干涉的Sagnac效应进行转动角速度的测量。原子干涉仪本质上是依赖于原子的波动性，由于原子的德布罗意波短，所以原子干涉仪可以进行很多物理量的高精度测量，其中包括转动量。 原子陀螺仪的基本结构 原子陀螺仪是一个涉及光、电、磁、真空机械和控制的复杂系统，其关键技术是激光及其稳频控制技术、真空机械技术、信号提取和处理技术以及噪声处理等。 原子陀螺仪的基本结构 原子陀螺仪的结构组成 原子陀螺仪的工作原理 原子陀螺仪的工作原理是基于原子波干涉的Sagnac效应的，与激光陀螺原理类似。 Mach-Zehnder型原子干涉仪 这是一个Mach-Zehnder型原子干涉仪，在这种类型的干涉仪中，一个1:1 分束器将入射波分为均等的两份，然后利用反射镜分别使两束波改变方向，最后将它们在另一个1:1 的分束器中重合。 原子陀螺仪的工作原理 原子干涉仪的情况与上述情况类似。它利用操控良好的激光光束实现原子的分束和反射。按照原子光学，分光器和反射镜分别由π和π/2 脉冲来实现，如右上图所示，两个输出端的原子数与每次相互作用时的激光相位有关，该相位因两束原子受外场的作用而改变。例如，在最后的π/2 脉冲之前沿着光束方向的加速使原子跑到光场的反节点中，导致两原子路径相互作用中包含由加速度引起的相位变化，如右下图所示，因此只要测出原子干涉花样产生的相移，就能测出加速度的变化，它的分辨率至少比光纤高几个数量级。这里必须指出的是这种干涉是原子内态的干涉，即表现形式是原子态的变化。 原子干涉图 有加速时原子干涉图 原子陀螺仪的工作原理 当相对转动空间在垂直干涉面积上有一个转动角速度 时，干涉仪的相移为 式中，为波长，对于物质粒子该波长为德布罗意波长， ，h为普朗克常量，m为粒子质量， 为频率，上式也是Sagnac效应的基本公式，是利用Sagnac效应进行角速度传感器的基本原理。显然，原子陀螺仪属于角速率陀螺。 原子陀螺仪的工作原理 下面，我们对原子干涉仪和激光干涉仪进行类比。当干涉物质为激光时，我们可以得到 式中，c为光速。 当干涉物质为物质粒子时，可以得到 式中， 为约化普朗克常量，上式即为原子陀螺仪的基本公式。 原子陀螺仪的工作原理 假设干涉面积A相同，在相同的角速率 下，原子陀螺仪与激光陀螺仪的相位比为 式中， 为激光的频率。 由上式可知，如果将氦-氖激光与铯原子进行比较，在相同的闭合干涉仪面积和角速度情况下，原子干涉相移是激光干涉相移的 6 × 1010倍，也即对应的原子陀螺仪式激光陀螺仪灵敏度的6 × 1010倍。 原子陀螺仪的工作原理 但是由于光学干涉仪有自身的优势，如环形激光陀螺仪可以得到更好的分束和反射器件，或者光纤陀螺仪可以通过多圈的光纤增加干涉路径，由此可以得到更大的有效干涉面积，所以上述原子干涉仪在灵敏度方面的优势在某种程度上被抵消。 Scully和Dowling基于量子力学的推导，考虑原子波传播过程中噪声等影响，理论上得到原子陀螺仪的灵敏度可以达到环形激光陀螺的 104倍。这种在灵敏度上数量级的差异也是开展原子陀螺仪研发的主要动力。 原子陀螺仪发展与现状 随着原子光学技术的不断发展，原子干涉仪能够得到的闭合面积可以不断提高，并最终接近其理论预测的灵敏度和精度。 性能 指标 零漂 60 μ°/h 噪声（ARW） 3μ μ°/h1/2 标度因子 5ppm 表1 美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到的性能指标 目前已公布的数据中，美国斯