CN102538775A - 一种冷原子束干涉陀螺装置 - Google Patents

Abstract

一种冷原子束干涉陀螺装置由冷原子束、原子束相干操纵和陀螺转动信号提取三系统组成；冷原子束系统连续出射|1＞态冷原子束作为物质波源；原子束相干操纵系统由依次置于|1＞态冷原子束出射路径上的三个光栅；以及分别对三个光栅相位进行调制的三个相位调制器组成；|1＞态冷原子束依次进入三个光栅，进行分束、反射和再分束，得|2＞能态和|1＞能态原子束干涉信号；陀螺转动信号提取系统的探测激光束诱导|2＞能态原子束干涉信号发出荧光信号，光电探测装置对荧光信号进行探测并送入计算机进行处理，得陀螺转动角速度信号；可获环境要求低的相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号。

Description

一种冷原子束干涉陀螺装置

技术领域

本发明属于惯性测量领域的干涉陀螺装置，特别涉及一种冷原子束干涉陀螺装置。

背景技术

目前，三光学光光栅的Mach-Zehnder型原子干涉仪主要有两种：

1)热原子束的空间型原子干涉仪，如文献1：T.L.Gustavson，P.Bouyer，M.A.Kasevich，Phys.Rev.Lett.，1997，78：2046-2049所记载。

2)脉冲冷原子云团的时间型原子干涉仪，如文献P.Cheinet，B.Canuel，F.Pereira Dos Santos，A.Gauguet，F.Leduc，A.Landragin，IEEE Trans.Instrum.Meas，2008，57：1141-1148所记载。

对于第一种热原子束原子干涉仪，采用的原子束的纵向速度较大(纵向速度即原子束前进方向上的运动速度，通常＞200m/s)，但针对原子干涉仪对良好信噪比以及检测精度的要求，根据Sagnac效应，利用冷原子束(速度＜30m/s)可以显著提高原子干涉仪的性能。自从70年代后期以来，人们利用光场对中性原子的辐射压力作用，采用激光对原子进行冷却(降低速度)，把原子从每秒数百米甚至上千米的速度降低到每秒数厘米到数十米的速度，并进而对原子进行捕获。针对原子干涉仪，冷原子束相对热原子束具有如下优势：

1)在干涉仪应用中，与热原子束较短的飞行时间(～1ms)相比，冷原子束具有相对较长的飞行时间(～0.5s)，具有更长的作用时间，从而使干涉仪的干涉臂所围绕的有效面积得到提高，进而获得了更大的干涉相移，提高了干涉仪灵敏度；

2)冷原子束具有更窄的速度分布，相干性更好，可以提高干涉信号的对比度和可观测干涉条纹的数目。

同时，在原子干涉仪应用中，连续出射的原子束相对脉冲原子云团具有如下优点：

1)输出信号带宽更宽，一般为约100Hz，大于脉冲原子云团的几赫兹水平；

2)基于原子束构建的原子干涉仪，其系统调节及参数优化更方便；

3)原子束的高带宽允许将干涉仪信号高频噪声快速平均予以剔除。

目前，利用原子干涉仪测量转动的应用中，性能最好的是T.L.Gustavson等人(T.L.Gustavson，A.Landragin，M.A.Kasevich，Class.Quantum Grav.，2000，17：2385-2398)的热原子束陀螺仪，其转动测量短期灵敏度为6×10^-10rad/s/Hz^1/2。如果改用冷原子束，短期灵敏度有望提高一个数量级。所以，综合原子束的连续性和冷原子的慢速性两方面优势，冷原子束干涉仪相比上述两种干涉仪更具有优势。

目前，原子干涉仪测量转动信号的提取方法主要有两种：一种方法采用压电陶瓷驱动原子干涉仪固定的平台转动，获得转动角速度的测量方法。如文献1：T.L.Gustavson，P.Bouyer，M.A.Kasevich，Phys.Rev.Lett.，1997，78：2046-2049所记载。该方法需要增加震动隔离，对环境要求较高等缺点。另外一种方法，也是采用对原子干涉仪进行相位调制，通过拟合干涉信号的包络线来确定转动角速度。如文献2：T.L.Gustavson，A.Landragin，M.A.Kasevich，Class.Quantum Grav.，2000，17：2385-2398所记载。该方法虽然对环境要求不高，但是由于是从拟合包络线来确定转动角速度，因而精度较低。

由于现有技术存在对环境稳定性要求高和测量精度不高的缺点，因此希望获得一种克服上述缺点的冷原子束干涉陀螺装置。

发明内容

本发明的目的在于：克服目前现有的脉冲型冷原子源和热原子束在原子干涉仪应用中的不足；克服原子干涉仪对环境稳定性的高要求和信号提取精度不高的缺点，而提供一种冷原子束干涉陀螺装置，该装置具有获得光学特性良好、通量较大、能态一致、结构紧凑、性能稳定，对环境要求低、能够提取相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号，转动信号采样速度高、线性度好、动态范围大。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

原子干涉仪构成实质一般概括为以下五个步骤：(1)制备原子初始态；(2)对原子波包进行相干分离，分离为两个或更多态；(3)分别对两个态原子施加不同的干扰，干扰的不同一般由两个态原子在空间位置的不同所致；(4)对这些原子成份进行相干合并；(5)检测干涉条纹的相位变化。

本发明提供的冷原子束干涉陀螺装置，如图1所示，其由冷原子束系统、原子束相干操纵系统和陀螺转动信号提取系统三部分组成；

该冷原子束干涉陀螺装置为采用连续出射的冷原子束1作为该物质波干涉仪的物质波源。本发明所述的冷原子束是指连续出射的冷原子束。

所述冷原子束1的纵向最可几速度为3～27m/s，纵向速度分布为0.5～5m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量不小于10⁸atoms/s量级。通过实验和理论验证，该数据的冷原子束可以通过不对称三维磁光阱技术获得，并且针对原子干涉具有最优的性能：纵向最可几速度在3～27m/s范围内，使得干涉臂所围绕的有效面积得到提高，进而提高了陀螺的灵敏度；纵向速度分布在0.5～5m/s范围内，可以大大提高干涉信号的对比度和可观测干涉条纹的数目，有益于信号提取；横向速度不大于10cm/s的原子束，在传输过程中的发散角度小，原子束横向的多普勒频移影响小；原子束通量不小于10⁸atoms/s量级的原子信号强度易于检测，有益于提高该原子陀螺信噪比。

所述原子束相干操纵，其由依次放置在冷原子束出射光路上的第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4；以及分别对所述第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4相位进行调制的第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6组成；冷原子束1进入第一光栅2分束成两个原子能态(|1＞态和|2＞态)原子束；再通过第二光栅3进行反射，原子能态翻转，之后通过第三光栅4对原子束再次分束，分束后的每个原子能态原子束分别合束，输出处于一个能态(|1＞态或|2＞态)的原子束的干涉信号5；

所述陀螺转动信号提取，其由光电探测装置10和探测激光束9组成；所述探测激光束9诱导所述原子干涉信号5发出荧光信号，所述光电探测装置10对荧光信号进行检测送入计算机进行进一步处理，对原子干涉仪干涉信号5进行傅里叶变换，在动量谱空间获得精确的调制周期与转动角速度的对应关系，从而获得精确的陀螺绝对转动角速度。所述冷原子束制备，原子束的分束、反射、合束相干操纵，原子干涉效应均在真空室中进行。

本发明的冷原子束干涉陀螺装置，其操作步骤如下：

1、利用不对称三维磁光阱(3D-MOT)产生连续出射的冷原子源，再利用二维光学粘胶对该原子束进行进一步准直，利用态制备光对原子束进行能态制备，得到连续出射的、速度低的、通量较大的、横向速度非常小的、能态一致的|1＞态的冷原子束；

2、依据双光子受激拉曼跃迁原理，利用三对对射拉曼光构成三光学光栅的π/2-π-π/2构型的空间型Mach-Zehnder干涉仪，使原子束进行相干分束、反射、合束；

3、分束操作使原子束内态分离(类似光学干涉仪中的分束器)，其中一半原子获得一定的横向动量，进而得到两个干涉臂；

4、反射操作使原子束内态翻转(类似光学干涉仪中的反射镜)，并且两干涉臂都获得了一定反冲动量；

5、合束操作使两干涉臂重新叠加干涉；

6、利用激光诱导原子发出荧光的方法，探测原子干涉仪干涉信号。将光电信号送入计算机，对数据进行进一步处理，进而提取转动信号。

其中，对原子干涉仪相位调制技术测量陀螺绝对转动信号的方法，步骤如下：

1、通过第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6分别对第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4进行相位调制，记录干涉信号5；

2、对干涉信号5进行傅里叶变换，在动量谱空间获得精确的调制周期；

3、利用傅里叶变换的关系获得动量谱，根据动量谱的调制周期(转动效应对无转动情况的动量谱线的调制周期)与转动角速度的对应关系，从而获得了精确的陀螺绝对转动角速度。

如图1所示，本发明提供的冷原子束干涉陀螺装置：从不对称三维磁光阱(3D-MOT)中连续出射冷原子源，经过二维光学粘胶准直和态制备后，能态一致的冷原子束1连续出射；经过第一光栅2对原子束进行分束，第一光栅2由两束满足拉比振荡频率π/2相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器8进行相位调制；经过第二光栅3对原子束反射，第二光栅3由两束满足π相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器7进行相位调制；经过第三光栅4对原子束再次分束，使两个态的原子分别合束，第三光栅4由两束满足π/2相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器6进行相位调制；原子干涉信号5通过光电探测装置10探测激光束9诱导|2＞态上原子发出的荧光来获得。

所述的第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4可以是机械光栅也可以是利用激光驻波场形成的光学光栅。本发明采用了基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，两束拉曼光束满足受激拉曼跃迁频差和失谐量，横向空间光束形状为窄线光，垂直高度大于10mm，水平光宽度不大于1mm。两束相干性好且具有一定频差的拉曼光源由直接边带注入锁定选频技术获得，可以采用电光调制器45来调制激光器44的种子光源，将此具有所需边带的多模激光直接注入到半导体激光二极管46中进行选频放大。进而产生满足拉曼光频差和相干性的两束拉曼光源。

本发明所提供的陀螺信号提取系统，包括：分别作用于第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4的第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6用于对每束拉曼光相位进行调制；通过探测激光束9激发获得的原子干涉信号5发出荧光，利用光电探测器10检测并采集原子干涉信号5的光电信号；计算机测控系统69用于控制相位调制器，采集干涉的光电信号，根据算法提取转动信号。

所述的基于相位调制技术的陀螺绝对转动信号提取方法为：

构建三束拉曼激光的相位调制形式为：

Φ₁(t)＝2Ψ₁(t)+Ψ₃(t)

Φ₂(t)＝Ψ₁(t)+Ψ₂(t)

Φ₃(t)＝2Ψ₂(t)-Ψ₃(t)

其中

Φ₁(t)、Φ₂(t)、Φ₃(t)依次为第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4拉曼脉冲相对共同起点的相位；

Ψ₁(t)、Ψ₂(t)、Ψ₃(t)为构成该拉曼脉冲相位调制形式所需的三个频率综合器的相位。

在此调制形式的基础上，对时域空间的原子干涉信号进行傅里叶变换，获得动量谱空间内的动量谱函数，根据如下的动量谱调制周期T_θ与转动角速度Ω的对应关系，可以获得精确的陀螺绝对转动信号(角速度)：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\mathrm{\π}{v}_0}{k_{\mathrm{eff}}{L}^2}\·\frac{1}{T_{\mathrm{\θ}}}$

其中，v₀-原子最可几速度；k_eff-两对射拉曼光成份对原子操纵的有效波矢；L-干涉仪的干涉长度；T_θ：有转动信号时的动量谱70相对无转动信号时的动量谱71的调制周期。

如果不考虑加速度等其它噪声的影响，这里的转动角速度Ω为原子干涉仪相对惯性空间的绝对角速度。所以，存在转动的情况下，存在转动的情况下，转动作用对无转动情况的动量谱函数71具有一个调制作用，得到存在转动的动量谱函数70，通过测量该调制频率(周期T_θ)就可以获得陀螺绝对转动角速度Ω。

假设动量谱函数谱宽和最小分辨率分别为Δθ和δθ，相位调制频率的调制范围和扫频精度分别为Δσ和δσ。要测量转动角速度，谱宽Δθ范围内至少需要包含半个调制周期，则角速度测量下限为：

${\mathrm{\Ω}}_{\min }=\frac{\mathrm{\π}{v}_0}{2k_{\mathrm{eff}}{L}^2\·\mathrm{\Δ\θ}}$

根据采样定律，最小采样间隔δθ需要满足2π/δθ＞2ω，角速度测量上限为：

${\mathrm{\Ω}}_{\max }=\frac{\mathrm{\π}{v}_0}{2k_{\mathrm{eff}}{L}^2\·\mathrm{\δ\θ}}$

根据傅立叶变换规则，Δθ.δσ＝2π，Δσ.δθ＝2π，采用相位调制法测量转动的测量范围为：

$\frac{v_0}{4k_{\mathrm{eff}}{L}^2}\&CenterDot;\mathrm{\&delta;\&sigma;}<\mathrm{\&Omega;}<\frac{v_0}{4k_{\mathrm{eff}}{L}^2}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&sigma;}$

由此可见，采用相位调制法进行的转动角速度测量的范围除与原子干涉仪本身特性相关，还取决于相位调制的扫频范围和扫频精度。其中，k_eff为拉曼光的有效波失。

本发明的有益效果是：

本发明的装置可以获得速度低、光学特性良好、通量较大、态一致的冷原子束，该冷原子束不仅能很好的应用于原子干涉仪，还可在原子光学研究中获得实际应用。采用冷原子束研制原子干涉仪可以大大提高原子干涉仪的性能：冷原子束相干性更好，使干涉信号的对比度高和可观测干涉条纹的数目多，干涉仪的灵敏度得到提高。原子束的连续性使系统带宽提高，原子干涉仪的采样率得到提高，能够将干涉仪信号的高频噪声快速平均予以剔除；本发明通过干涉相位调制技术，经过对干涉信号的傅里叶变换算法，在动量谱空间实现了对陀螺绝对转动信号的高精度提取；对原子干涉仪的隔振要求不高，稳定性好，降低了对环境因素的要求；可以直接获得陀螺绝对转动角速度的测量，具有较高的测量精度；可以提高转动角速度测量的线性度和动态范围；利用相位调制法可以仿真转动，可以用于模拟原子干涉的测试实验，提供了一种电模拟转动的验证。

附图说明

图1为本发明的冷原子束干涉陀螺装置结构示意图；

图2为冷原子束制备系统示意图；

图3为冷却激光系统的结构示意图；

图4为拉曼激光系统的结构示意图；

图5为相位调制法提取转动信号系统；

图6为动量谱空间内转动的和无转动的动量谱函数。

图面说明：

冷原子束1               冷原子束产生系统1’     第一光栅2

第二光栅3               第三光栅4               |2＞态原子干涉信号5

1＞态原子干涉信号5’    第三相位调制器6         第二相位调制器7

第一相位调制器8         检测激光9               光电探测装置10

冷原子云团11            径向冷却激光12，12’    横向冷却激光13，13’

横向冷却激光14，14’    横向准直激光15，15’    横向准直激光16，16’

态制备激光17            第一反亥姆霍茨线圈18    第二反亥姆霍茨线圈18’

1/4波片/反射镜组19      1/4波片/反射镜组20      1/4波片/反射镜组21

1/4波片/反射镜组22      1/4波片/反射镜组23

第一激光器24    第二激光器25        光分束器26

光分束器27      反射镜28            声光调制器29

声光调制器30    声光调制器31        光纤耦合头32

光纤耦合头33    光纤耦合头34        光纤耦合头35

一分二光纤分束器36        一分三光纤分束器37

光纤扩束器38，39，40，41，42，43            第三激光器44

电光调制器45          半导体激光二极管46    1/2波片47

光纤耦合头48          光分束器49            反射镜50

声光调制器51          1/2波片52             光纤耦合头53；

PBS型光纤合束器54     光纤连接器55    NPBS型一分三光纤分束器56

光纤线光扩束器57，58，59    狭缝光栏60      1/4波片61，62

偏振分光棱镜63        凸透镜64              反射镜65

声光调制器驱动器66，67，68    计算机测控系统69

存在转动的动量谱函数70        无转动情况的动量谱函数71

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图2、3和实施例进一步详细说明本发明的冷原子束发生装置和方法。

真空室中的原子蒸汽通过一个不对称的三维磁光阱(3D-MOT)进行冷却并被捕获形成冷原子云团11，在冷却激光束12入射方向上垂直安装带有小孔的四分之一波片/反射镜组21；小孔的存在使该方向上激光对原子的辐射压力不平衡，从而把捕获住的原子云团从该小孔推射出形成冷原子束。冷原子束由小孔出射后，利用二维光学黏胶技术对出射的冷原子束进行横向压缩准直，并最终用态制备激光束17将冷原子束制备到该原子能级的|1＞态上，获得光学特性良好的一个原子能态的冷原子束1。

所述的不对称三维磁光阱(3D-MOT)在内部含原子蒸汽的真空室内；产生磁阱的反亥姆霍茨线圈18和18’套在真空室外，其位置可微调；三束冷却激光束12、13、14互相正交入射到真空腔，其圆偏振方向为σ⁺，在相反方向安装有三对1/4波片/反射镜组21、20、19，将冷却激光束12、13、14原路反射，其圆偏振方向变为σ^-；1/4波片/反射镜组21置于真空室内，并且在中心位置处具有1mm直径的小孔；1/4波片/反射镜组20和19安装在真空腔外；所述三对1/4波片/反射镜组21，20和19分别将互相正交入射的冷却激光束12，13和14原路反射，从而构成所述的不平衡三维磁光阱(3D-MOT)。

所述的二维光学黏胶需要位于所述第一对1/4波片/反射镜组21之后光路上的二个1/4波片/反射镜组23，22来完成，该二个1/4波片/反射镜组23和22分别对用于冷原子束准直的正交入射的二束激光束15和16进行原路反射。

简述冷原子束制备的过程如下：

1、首先将真空室抽真空至真空度优于10^-7Pa；

2、加热通过法兰连接在真空室上的热原子源，使该部分真空室中形成原子蒸汽气氛；

3、采用不对称的三维MOT对热原子进行冷却，冷却到200μk以下，并被捕获形成冷原子云团；

4、原子束经由不对称的三维MOT水平方向上放置的1/4波片/反射镜组21的小孔出射，由于该小孔方向激光辐射压力不平衡，使冷原子束沿此方向连续出射；

5、利用二维光学粘胶，对从小孔出射的冷原子束进行横向压缩，即对原子束进行准直，从而减小横向速度分布和发散角度；

6、在冷原子束的出射方向上，设置有与原子束垂直的态制备激光束17，用于原子束的能态制备，实现出射的冷原子能态一致；这样，便得到了出射速度低的、通量较大的、横向速度非常小的、能态一致的冷原子束；

参考图2和图3，冷原子束制备光路系统包括：第一激光器24输出光的前方光路上设置有分光棱镜26、27，将光分为三路输出；第一束激光经过声光调制器29调制，获得激光冷却原子所需的频率失谐量，经过光纤耦合头34耦合到光纤内，后经光纤分束器37分为三路分别输出到光纤扩束器41、42、43内，扩束器41、42、43内安装有1/4波片，可将线偏振光转换为圆偏振光；三扩束器41、42、43安装在真空腔上，然后这三束激光束分别通过石英玻璃窗，入射进真空室，形成三束在空间相互正交的激光束12、13、14，其中两束激光13、14通过石英玻璃窗出射后，再经与之垂直的一反射镜20、反射镜19反射后分别形成两对光束；而另外一束激光12，即水平方向上的那一束非平衡MOT激光束12，经石英玻璃窗沿真空室轴线入射入真空室，并在前进方向上被与之垂直的中心带有φ1mm小孔的1/4波片/反射镜组21反射。这样，形成了六束正交激光束，其正交中心与反亥姆霍茨线圈18产生的磁场中心重合。另外，由第二激光器25发出的再泵浦激光束，通过光纤耦合器35耦合入光纤后通过扩束器43合并入激光束14中，用于MOT冷却原子的再泵浦激光。于是，加上置于真空室外的一对反亥姆霍茨线圈18，共同形成了一个三维磁光阱。同样，用于原子束准直的两束激光束15、16由另一束输出激光经过调制器30、光纤耦合头33、光纤分束器36、扩束器39、40传输到真空腔，并借助1/4波片/反射镜组，得到两对正交光束，形成二维光学黏胶。用于态制备的从第一个激光器24发出的激光束通过反射镜28后，经过调制器31、光纤耦合器32、扩束器38和石英玻璃窗入射真空室。根据光抽运原理，满足|2＞原子能级共振频率的态制备激光将原子束制备到|1＞态上输出。这样，就形成本发明冷原子束制备所需的三维MOT的光路系统、准直激光系统和态制备激光系统，除了由激光器25发出再泵浦激光束外，所有光束均由第一激光器24提供。

在上述的技术方案中，所述的扩束器使用光纤数值孔径为0.11，扩束器内置的光学镜片依此为1/2波片、PBS、1/4波片和平凸透镜，进而输出为φ50mm高斯光束。

本发明的冷原子束所能达到的主要技术指标如下：冷原子束的纵向最可几速度为3～27m/s，纵向速度分布为0.5～5m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量不小于10⁸atoms/s量级，整个冷原子束源系统的真空度优于10^-7Pa，1/4波片/反射镜组21的小孔直径为1mm。将该参数的冷原子束应用于原子干涉，能够获得比较好的效果。该冷原子束光学特性良好，具有很强的相干性，能很好地应用于原子干涉仪、原子钟和原子频标等诸多领域。

另外，ZL200410096603.2，2007年，一种冷原子束产生方法及其装置，也可以获得本发明适用的冷原子束。

实施例2：

下面结合图1、2、4和实施例进一步详细说明本发明的基于双光子受激拉曼跃迁原理的光学光栅的装置。

第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4可以是机械光栅也可以是利用激光驻波场形成的光学光栅。本发明采用基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，其制备如下：

第三激光器44的输出光经过光分束器49分为两部分，一部分激光经过电光调制45调制，得到具有两边带和载波频率三个模式的种子光；将此种子光注入到半导体激光二极管46内，进行选频注入锁定放大；输出光经过1/2波片47，输入到光纤耦合头48内；另一束光通过反射镜50进入声光调制器51、1/2波片52，输入到光纤耦合头53内；调节两个1/2波片47，52使两束光分别与光纤的快轴和慢轴平行输入到光纤，之后经过PBS型光纤合束器54进行合束，得到偏振方向垂直正交的线偏振的两拉曼光成份；通过光纤连接器55将两耦合的激光输入到NPBS型一分三光纤分束器56内，再将此耦合激光按照1∶2∶1的比例进行分束，再通过光纤线光扩束器57，58，59扩束为线光束，之后利用狭缝光栏60对光束进行进一步整形；将此三束线光分别经过1/4波片61，使两拉曼光成份相互正交的圆偏振；该三束线光通过冷原子束后，将其分别经过1/4波片62和偏振分光棱镜63滤除其中一个偏振方向的拉曼光分量，剩余另外一个偏振方向拉曼光分量透射过去，又经过透镜对64缩小光束光斑，利用零度反射镜65原路反射，在光束缩小位置处分别通过声光调制器6，7，8的双向移频来调制剩余拉曼光分量的光频率，实现对拉曼光的相位调制。这样，得到三束两两对射、圆偏振方向正交的线状拉曼光学光栅，即第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4。

两束相干性好且具有一定频差的拉曼光源由直接边带注入锁定选频技术获得，以⁸⁷Rb原子为例，满足受激拉曼跃迁要求的两相干拉曼光束的频差为6.834GHz，所以，可以采用6.834GHz的电光调制器45来调制激光器44的种子光源，将此具有所需边带的多模激光直接注入到半导体激光二极管中进行选频放大。进而产生满足拉曼光频差和相干性的两束拉曼光源。

实施例3：

下面结合附图4、5、6和具体实施例对本发明的陀螺转动信号提取作进一步详细描述。

这里以π/2-π-π/2构型受激拉曼跃迁原子干涉为例：

1)搭建冷原子束干涉系统，即冷原子束1在第一光栅2(π/2相位拉曼光学光栅)作用下，受激拉曼跃迁实现原子束分束，第二光栅3(π相位拉曼光学光栅)通过受激拉曼跃迁实现原子束的反射，第三光栅4(π/2相位拉曼光学光栅)通过受激拉曼跃迁实现原子束的和束，获得|2＞态原子干涉信号5；

2)通过第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6(利用差分声光调制器进行相位扫描)分别对第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4进行相位调制，由计算机测控系统69控制的三个声光调制器的RF驱动器65、66、67来驱动，其RF驱动频率在计算机测控系统69中综合产生；

3)通过检测激光9激发获得的原子干涉信号5发出荧光，利用光电探测器10检测并采集原子干涉信号5的光电信号，送入计算机测控系统69；

4)对原子干涉信号5进行傅里叶变换，在动量谱空间内获得动量谱的调制周期与转动角速度的对应关系，从而获得了精确的陀螺转动角速度。

原子干涉信号5总相移包括转动引起的相移、加速度引起的相移和拉曼光相位引起的相移三部分相移，所以，通过调制拉曼光的相位，可以对原子干涉信号相位进行调制；参考图6，将原子干涉信号进行傅里叶变换到动量谱空间内，没有转动情况下对应动量谱函数为71，当存在转动情况下，转动会对动量谱函数71进行调制并得到动量谱函数70，通过测量该调制周期T_θ，根据该周期和绝对转动信号之间的对应关系，可以有效提取陀螺绝对转动信号。所述π/2、π和π/2三束拉曼激光的相位调制形式为：

Φ₁(t)＝2Ψ₁(t)+Ψ₃(t)

Φ₂(t)＝Ψ₁(t)+Ψ₂(t)

Φ₃(t)＝2Ψ₂(t)-Ψ₃(t)

其中，Φ₁(t)、Φ₂(t)、Φ₃(t)依次为第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4拉曼脉冲相对共同起点的相位；Ψ₁(t)、Ψ₂(t)、Ψ₃(t)为构成该拉曼脉冲相位调制形式所需的三个频率综合器的相位。

要实现上述拉曼光的相位调制形式，可以通过3个独立的频率调谐范围70～90MHz的声光调制器(AOM)6、7、8分别对三对拉曼光束的反射光束的频率进行调制来实现。各个声光调制器的驱动频率由计算机测控系统69中的三个频率综合器综合产生，其中，

i＝1，2，3；其中，

为频率综合的任意初始相位；v_i为频率综合器的频率。针对本发明对三束拉曼光相位调制的形式，可以通过如下频率综合产生的RF频率来驱动三个声光调制器6、7、8来实现：

项目	频率	数值(MHz)
			产生v1的频率综合器	v1	30
产生v2的频率综合器	v2	50
			产生v3的频率综合器	v3	20+δf
RF驱动器66(驱动AOM 8)	2v1+v3	80+δf
			RF驱动器67(驱动AOM 7)	v1+v2	80
RF驱动器68(驱动AOM 6)	2v1-v3	80-δf

其中，δ_f为加入到产生v₃的频率综合器中的调谐频率，可以对两个π/2相位的拉曼光进行频率调谐，实现对该冷原子干涉陀螺转动相移的调制；一个特殊用途是补偿地球转动带来的陀螺信号转动偏置。

Claims (4)

1.一种冷原子束干涉陀螺装置，其由冷原子束系统、原子束相干操纵系统和陀螺转动信号提取系统三部分组成；

所述冷原子束系统连续出射|1＞态的冷原子束(1)作为该冷原子束干涉陀螺装置的物质波源，该|1＞态的冷原子束(1)的纵向最可几速度为3～27m/s，纵向速度分布为0.5～5m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量不小于10⁸atoms/s量级；

所述原子束相干操纵系统由依次放置在|1＞态的冷原子束(1)出射路径上的第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)；以及依次对所述第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)相位进行调制的第一相位调制器(8)、第二相位调制器(7)和第三相位调制器(6)组成；处于|1＞态的冷原子束(1)进入第一光栅(2)分束成|1＞态原子束和|2＞态原子束；再通过第二光栅(3)进行反射，二束原子能态翻转，汇聚一处；之后通过第三光栅(4)对原子束再次分束，分束后的每个原子能态的原子束分别合束；最后输出处于|2＞能态的原子束的干涉信号(5)和处于|1＞能态的原子束的干涉信号(5’)；第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)均为满足基于双光子受激拉曼跃迁原理的、偏振方向正交的、横截面为窄线状的、两拉曼光成份对射的拉曼光学光栅；第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)分别满足原子受激拉曼跃迁的π/2、π和π/2相位，并分别实现对原子束的分束、反射和合束的相干操纵；

所述陀螺转动信号提取系统由光电探测装置(10)、探测激光束(9)和计算机测控系统(69)组成；所述探测激光束(9)诱导所述的处于|2＞能态的原子束的干涉信号(5)发出荧光信号，所述光电探测装置(10)对所发出的荧光信号进行探测并送入计算机进行进一步处理，所述的处理为对时域空间内的|2＞能态原子束的干涉信号(5)进行傅里叶变换，获得动量谱空间内的转动的动量谱函数和无转动的动量谱函数；转动的情况下，转动作用对无转动的动量谱函数具有周期为T_θ的调制作用，进而得到转动的动量谱函数，该调制周期T_θ与惯性空间转动角速度信号Ω之间满足如下关系：

$\mathrm{\&Omega;}=\frac{\mathrm{\&pi;}{v}_0}{k_{\mathrm{eff}}{L}^2}\&CenterDot;\frac{1}{T_{\mathrm{\&theta;}}}$

其中，v₀为|1＞态的冷原子束(1)的最可几速度；k_eff为两对射拉曼光成份对|1＞态的冷原子束(1)操纵的有效波矢；L为该冷原子束干涉陀螺装置的干涉长度；T_θ：有转动信号时的动量谱相对无转动信号时的动量谱函数的调制周期；

通过测量该调制周期T_θ，获得精确的陀螺转动角速度信号Ω；

所述的冷原子束系统和原子束相干操纵系统处于真空系统中。

2.按权利要求1所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特征在于，所述冷原子束系统包括真空室中相对放置一对第一反亥姆霍茨线圈(18)和第二反亥姆霍茨线圈(18’)，位于该对第一反亥姆霍茨线圈(18)和第二反亥姆霍茨线圈(18’)之间的原子蒸汽通过一个不对称的三维磁光阱进行冷却并被捕获形成冷原子云团(11)，在激光束(12)传输方向上放置一带有小孔的四分之一波片/反射镜组(21)，小孔的存在使所述三维磁光阱的径向激光束(12)的反射激光束方向上的激光对原子云团(11)的辐射压力不平衡，从而把捕获住的冷原子云团(11)从该小孔推射出形成冷原子束；冷原子束由小孔出射后，利用二维光学黏胶技术对出射的冷原子束进行横向压缩准直，减小横向速度，并最终用态制备激光束(17)将冷原子束制备到原子能级的|1＞态上，获得光学特性良好的|1＞态冷原子束(1)。

3.按权利要求1所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特性在于，所述的第一拉曼光学光栅(2)、第二拉曼光学光栅(3)和第三拉曼光学光栅(4)的相位分别被第一相位调制器(8)、第二相位调制器(7)和第三相位调制器(6)调制，构建三束拉曼激光的相位调制形式为：

Φ₁(t)＝2Ψ₁(t)+Ψ₃(t)

Φ₂(t)＝Ψ₁(t)+Ψ₂(t)

Φ₃(t)＝2Ψ₂(t)-Ψ₃(t)

其中，Φ₁(t)、Φ₂(t)、Φ₃(t)分别为第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4的拉曼脉冲相对共同起点的相位；Ψ₁(t)、Ψ₂(t)、Ψ₃(t)分别为构成该拉曼脉冲相位调制形式所需的三个频率综合器的相位。

4.按权利要求1所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特征在于，所述第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)分别为基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，其制备如下：第三激光器(44)的输出光经过光分束器(49)分为两部分，一部分激光经过电光调制(45)调制，得到具有两边带和载波频率三个模式的种子光；将此种子光注入到半导体激光二极管(46)内，进行注入锁定选频放大；输出光经过1/2波片(47)，输入到光纤耦合头(48)内；另一束光通过反射镜(50)进入声光调制器(51)、1/2波片(52)，输入到光纤耦合头(53)内；调节两个1/2波片(47，52)使两束光分别与光纤的快轴和慢轴平行输入到光纤，之后经过PBS型光纤合束器(54)进行合束，得到偏振方向垂直正交的线偏振的两拉曼光成份；通过光纤连接器(55)将两耦合的激光输入到NPBS型一分三光纤分束器(56)内，再将此耦合激光按照1∶2∶1的比例进行分束，再通过光纤线光扩束器(57，58，59)扩束为线光束，之后利用狭缝光栏(60)对光束进行进一步整形；将此三束线光分别经过1/4波片(61)，使两拉曼光成份为相互正交圆偏振；该三束线光通过冷原子束后，将其分别经过1/4波片(62)和偏振分光棱镜(63)滤除其中一个偏振方向的拉曼光分量，剩余另外一个偏振方向拉曼光分量透射过去，又经过透镜对(64)缩小光束光斑，利用零度反射镜(65)原路反射，在光束缩小位置处分别通过声光调制器(6，7，8)的双向移频来调制剩余拉曼光分量的光频率，实现对拉曼光的相位调制；这样，得到三束两两对射、圆偏振方向正交的线状拉曼光学光栅，即第一光栅(2)、第二光栅(3)和第三光栅(4)。

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