原子干涉转动与倾斜测量

课题背景

陀螺仪能够实现转动测量，在地球物理、惯性导航和基础物理等领域中有着重要应用；高精度的倾斜仪可用于观测地球的倾斜潮汐，在地壳形变的监测中具有重要意义。本课题组在原子干涉转动与倾斜测量方面取得了积极进展。

课题进展

课题组搭建完成原子干涉陀螺仪的真空系统，电路系统和光路系统，实现了四脉冲原子干涉转动的原理性测量实验。之后不断的优化了原子干涉陀螺仪的光路系统、探测系统和机械结构，分析并抑制了主要的噪声，不断提高了转动测量水平。在2020年，该套原子干涉陀螺仪已经实现灵敏度达167nrad/s/Hz^1/2的转动测量[Optics Express28, 12189 (2020)]。课题组正在进一步优化实验系统，并降低主要噪声的限制，同时采用新的干涉仪结构，旨在进一步提高转动测量水平。

图1 原子干涉陀螺仪的原理和装置实物图

在实现高精度转动测量的同时，本课题组开展了原子干涉倾斜测量原理性实验研究，其频率基准以原子跃迁线为参考，具有长期稳定性好，潜在灵敏度高的优点，已成为下一代倾斜仪的强力竞争者。通过测量一段倾斜变化数据并对其做艾伦偏差，可得到倾斜测量灵敏度为1.3μrad/Hz^1/2，灵敏度主要受限于探测噪声和仪器本身的高频倾斜波动[Phys. Rev. A96,063606(2017)]。在2022年，课题组通过改进实验装置进一步抑制温度波动和空气密度波动噪声对测量灵敏度的限制，将倾斜测量的灵敏度水平进一步提升至40nrad/Hz^1/2,并在此基础上观测到了明显的地球倾斜潮汐[Phys. Rev. A105, 013316 (2022)]。本课题的相关研究成果被PRA推荐为亮点文章（Highlights），并且被美国物理学会（APS）旗下在线新闻网站“物理”（Physics）进行精选报道。

图2 Physics网站的精选报道