CN106092075B - 波粒涡旋陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波粒涡旋陀螺。利用涡旋光产生常温波色‑爱因斯坦凝聚(BEC)的涡旋叠加态，将涡旋光轨道角动量所携带的待测信息传递到常温BEC中；量子阱中常温BEC涡旋态物质波会随着平台转动发生干涉现象，通过检测系统检测相位变化，即可获得待测信息。本发明通过级联涡旋光与常温BEC，利用物质波高精度敏感来达到对涡旋光惯性测量灵敏度的激增放大，从而实现对姿态角速率的超高精度和超高灵敏度测量。相对基于超低温BEC的原子陀螺，由于常温BEC的涡旋叠加态非常稳定且涡旋光及涡旋物质波可自成光路，因此涡旋光与常温BEC级联激增还可实现陀螺的高稳定性和小型化。本发明属于惯性测量技术领域，可应用于未来超高灵敏度且小型化的导航定位等领域。

Description

波粒涡旋陀螺

技术领域

本发明涉及一种波粒涡旋陀螺，适用于新一代量子导航领域，不仅可以有效提高量子陀螺的精度和灵敏度，而且还可实现小体积。

技术背景

惯性导航系统作为一种自主式导航系统，与卫星导航系统相比具有全天候、全时空、隐蔽性好、不易被干扰、无法被反利用和生存能力强等优点，但是作为一种推算式导航系统，陀螺仪误差将导致其导航参数误差随时间迅速积累，即导航精度随时间而发散，长期稳定性差。因此，陀螺仪是惯性导航系统的核心，是制约惯性导航精度的主要瓶颈。针对未来航天活动需求，由于飞行距离、飞行时间、飞行速度的不断提高，对导航设备精度、灵敏度和体积提出了越来越高的要求。

传统概念的陀螺是通过转子转动产生动量矩来敏感陀螺相对惯性空间的角运动，但是由于加工精度、摩擦等因素，灵敏度和精度发展空间受限。尽管采用磁悬浮和静电等先进悬浮手段，可以一定程度上减小转子摩擦，但这又必然大幅增加陀螺仪的体积和成本。基于Sagnac效应的光纤陀螺和激光陀螺，虽然巧妙回避了机电式陀螺转子系统存在的不足，但由于陀螺精度和光程紧密相关，而光程太大又会对陀螺稳定性和可靠性带来影响，致使灵敏度和精度的发展遇到瓶颈。

近年来随着低温物理学等领域的快速发展，出现了原子陀螺的研究热潮。原子陀螺包括原子干涉陀螺和原子自旋陀螺两大类。原子自旋陀螺具有小型化的巨大潜力，但是，无论是哪种形式的自旋陀螺，都不可避免地存在 原子之间或分子之间的碰撞和摩擦，这必然影响和制约量子自旋陀螺的精度和灵敏度。原子干涉陀螺则是基于物质波的Sagnac效应，与光学陀螺相比，具有超高的理论灵敏度，但是系统复杂且难以小型化。总之，现有陀螺仪在精度、灵敏度和体积之间存在突出矛盾，无法满足未来惯性导航技术的迫切需求，因此亟需探索研究新概念陀螺仪。

随着半导体技术的发展，微腔量子阱、量子点等的制备技术取得重大突破，同时也带来了半导体激子激元的研究热潮。由于半导体微腔制备简单，且激子激元不受光束漂移的影响，具有超高的稳定性，并且该装置具有小型化的突出优势，其一经提出便引起了国际社会的高度重视。2010年加拿大蒙特利尔工程学院首次在室温条件下通过有机单晶微腔产生极化激元激光；2013年德国伍伯塔尔首次在《Science》上公开在高分子聚合物中实现室温条件下的激子激元凝聚态，即常温BEC。常温BEC的出现，极大程度地克服了现有超低温BEC所存在的体积大和成本高等突出问题，而且凝聚态从气态变成固态，大幅提高了系统的稳定性。同时，近年来，具有大轨道角动量的涡旋光制备技术不断发展，在小型化上取得重大突破。因此针对现有陀螺仪超高精度超高灵敏度和小体积之间的突出矛盾，探索基于涡旋光和常温BEC的波粒涡旋陀螺具有重要理论意义和极高的应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有陀螺仪超高精度超高灵敏度和小体积之间的技术瓶颈，通过级联涡旋光量子陀螺装置与半导体微腔量子阱常温BEC装置，提出波粒涡旋陀螺新概念，有效解决现有陀螺在结构、体积和稳定性上存在的突出问题。

本发明的技术解决方案是：级联涡旋光与常温BEC，利用涡旋光产生常温BEC的涡旋叠加态，将涡旋光的轨道角动量耦合到涡旋态常温BEC中， 同时也将涡旋光轨道角动量中所携带的待测信息传递到常温BEC中；量子阱中常温BEC涡旋态物质波会随着平台转动发生干涉现象，通过检测系统检测其相位变化，即可解析待测姿态角速率信息。

涡旋光在传播过程中，其波阵面会绕着传播方向以螺旋的方式前进，每个光子具有大小的轨道角动量，其中l为涡旋光光束的拓扑荷数。通过级联涡旋光惯性测量装置与半导体微腔量子阱装置，将携带有轨道角动量的涡旋光映射进半导体微腔的激子极化激元凝聚态中，产生高稳定性涡旋叠加态的常温BEC；半导体微腔量子阱与平台固连，会随着平台的旋转而转动，常温BEC的两个涡旋-反涡旋叠加态物质波的相位会发生变化，出现干涉条纹的移动，通过检测系统获得待测数据，处理后即可得到相应的平台角速率及相关信息。波粒涡旋陀螺的频移是涡旋光和常温BEC涡旋频移的耦合叠加，对于其灵敏度有激增放大的作用，因此可利用波粒级联实现陀螺的超高精度和超高灵敏度测量。

本发明有以下三个关键点：

(1)涡旋光惯性测量方法

涡旋光是具有螺旋型相位波阵面和相位奇点的光束，其主要特点是具有螺旋型的相位分布，如图1所示，图中l为涡旋光束的拓扑荷数。涡旋光在传播过程中，其波阵面会绕着传播方向以螺旋的方式前进，每个光子具有大小的轨道角动量。利用涡旋光的轨道角动量和螺旋波阵面可实现角速率的高精度高灵敏度测量。

基于涡旋光的惯性测量方法如图2所示，图中螺旋相位板即可实现涡旋光的产生。该方法利用涡旋光旋转多普勒效应，将涡旋光产生装置和测量装置引入到载体上，载体的转动使得涡旋光产生装置和涡旋光束发生转动，产生旋转多普勒效应，再通过检测解析装置可精确测量出载体在一个维度上的旋转角速率。该方法具有以下优点：系统架构简单，所用仪器较少并且灵敏 度与光路长度无关，体积小，重量轻；未使用反光镜并且用涡旋光自成微纳光路代替光纤，不存在光纤折射率变化引起的相位漂移现象和反射镜形成的闭锁域；决定涡旋光惯性测量方法灵敏度的轨道角动量理论上可以做到无穷大，因此随着制备方法和加工工艺的快速发展，涡旋光惯性测量方法的精度和灵敏度提升将有巨大潜力。

(2)常温BEC

光子与激子(库仑力束缚的电子-空穴对)发生耦合作用，产生一种新的元激发，称为激子极化激元。激子极化激元是在半导体微腔中产生的，该微腔包括两块DBR(布拉格反射镜)，中间是三明治结构的量子阱。量子阱结构中间是很薄的半导体薄膜，外层利用分子束外延或金属有机物化学汽相沉淀法外延生长一层较厚膜。随着半导体量子阱制备技术的发展，目前已经能够在常温条件下实现激子极化激元凝聚态。通过对激子极化激元凝聚态的深入研究，已实现利用涡旋光产生常温BEC涡旋叠加态技术。

(3)涡旋光与常温BEC的级联激增

波粒涡旋陀螺是利用携带有待测信息的涡旋光产生常温BEC的涡旋叠加态，将涡旋光的轨道角动量耦合到涡旋态常温BEC中；量子阱中常温BEC涡旋叠加态物质波会随着平台转动发生干涉现象，最后通过检测系统检测相位变化解析待测信息。其主要特点是波粒涡旋陀螺的频移是涡旋光和常温BEC涡旋频移的耦合叠加，利用粒子物质波高精度检测来实现对涡旋光惯性测量方法的激增放大作用，最终实现波粒涡旋陀螺的超高精度和超高灵敏度。

本发明的原理是：

涡旋光是具有螺旋型相位波阵面和相位奇点的光束，其主要特点是具有螺旋结构的相位分布，如图1所示，图中l为涡旋光束的拓扑荷数。涡旋光可自成微纳光路，即其螺旋前进形成的环形对称光路。利用涡旋光的这一特性可以将光纤陀螺中利用光纤缠绕形成的螺旋光路或激光陀螺中的对称光 路替换成涡旋光自成的微纳光路。由于涡旋光波阵面传播方式的特殊性，因此基于涡旋光的旋转多普勒效应，可实现对待测载体的角速率高灵敏度测量，如图2所示。旋转多普勒效应公式为：

Δω＝lΩ

式中，l是表征轨道角动量大小的拓扑荷数，Ω为飞行体旋转角速度，Δω是角频率移动。

激子极化激元是一种光子与激子发生耦合作用后产生的新的元激发。常温BEC是指激子极化激元波色-爱因斯坦凝聚态。激子激元可在半导体微腔中产生，半导体微腔结构包括两块DBR(布拉格反射镜)，中间是三明治结构的量子阱，量子阱结构的结构是中间是很薄的半导体薄膜，外层利用分子束外延或金属有机物化学汽相沉淀法外延生长一层较厚膜。

波粒涡旋陀螺是基于涡旋光惯性测量方法和常温BEC的形成机理，利用涡旋光的螺旋波阵面特性，在常温BEC中产生涡旋叠加态。在此过程中，涡旋光的轨道角动量会耦合进涡旋态常温BEC中，同时涡旋光轨道角动量中的携带的待测信息也传递到了常温BEC中；载体的转动会使量子阱中常温BEC涡旋叠加态的物质波发生干涉现象，通过检测系统检测相位变化即可解析待测信息。

波粒涡旋陀螺的信噪比是指物质波干涉相位的转移量与散粒噪声的比值，散粒噪声的大小取决于检测光从常温BEC到达CCD的光量子数N。根据信噪比公式：

式中φ_Ω(t)＝2lΩt，当信噪比SNR＝1时，可得到Ω最小值半导体量子阱中激子激元的密度为10⁹cm^-2，因此可以评估检测光到达CCD的光子数为N≈10¹⁴s^-1，因此得出可测的最小待测角速率灵敏度Ω_min≈10^-10rads^-1Hz^-1/2。与光纤陀螺和冷原子干涉陀螺相比，波粒涡旋陀螺的散粒噪声比较小，散射粒子数N的值非常大，导致了波粒涡旋陀螺超高的信噪比，这也是涡旋叠加常温BEC量子陀螺实现超高灵敏度测量的关键之一。

本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：

(1)波粒涡旋陀螺利用涡旋光自成微纳光路，同时涡旋光惯性测量装置和常温BEC装置的级联可实现相位叠加放大，高稳定性常温BEC抑制陀螺的漂移，从而可达到超高精度超高灵敏度测量；

(2)波粒涡旋陀螺与光学陀螺相比，其光路结构简单，且自成光路，不会出现激光光束漂移等现象；与原子干涉陀螺相比，较超低温冷原子结构，常温BEC的涡旋叠加态非常稳定，且单位体积的原子数可以大幅提高，从而有助于系统的信噪比；

(3)波粒涡旋陀螺可实现小型化。涡旋光惯性测量的灵敏度和光束的光程无关，只与轨道角动量拓扑荷数l有关，为系统的小型化提供了条件。且通过涡旋光不用反射镜就可以实现对称光路，涡旋光可制成微纳光路，可以极大的减小系统的体积。

附图说明

图1为涡旋光示意图；

图2为涡旋光惯性测量装置；

图中：

1为激光光源；2为扩束镜；3为螺旋相位板；4为检测所用CCD。

图3常温BEC激发及检测机理示意图；

图4为本发明波粒涡旋陀螺的原理方案图；

图中：

1为激光光源；2为扩束镜；3为螺旋相位板；4为BEC产生装置；5为透镜，6为检测所用CCD；7为检测光源。

具体实施方案

本发明是波粒涡旋陀螺，其原理方案如图4所示，具体实施步骤如下：

(1)利用激光器和螺旋相位板搭建涡旋光量子干涉装置

利用激光器产生标准高斯分布激光光束(如图1所示)，然后根据Laguerre-Gaussian光束(简称LG光束)波函数表达因式确定所要产生涡旋光的相位信息。入射光以一定的角度入射到螺旋相位板上进行光束相干度的调整，即可得到所需的具有高阶轨道角动量的涡旋光，如图2所示；根据旋转多普勒原理可知由于光源的旋转在两个方面将会使得涡旋光光束角频率产生频移，一方面旋转光源会对涡旋光光速施加的旋转运动会产生旋转多普勒效应，另一面由于光源转动引起的离心力和科氏力将会对涡旋光角频率产生影响，其中旋转多普勒效应起主导作用；旋转多普勒效应的公式为：

Δω＝lΩ

式中，l是表征轨道角动量大小的拓扑荷数，Ω为待测旋转角速度，Δω是角频率移动。

(2)在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波

光子与激子(库仑力束缚的电子-空穴对)发生耦合作用，产生一种新的元激发，称为激子极化激元。激子激元是在半导体微腔中产生的，半导体微腔结构包括两块DBR(布拉格反射镜)，中间是三明治结构的量子阱，量子阱结构特点是中间是很薄的半导体薄膜，外层利用分子束外延或金属有机物化学汽相沉淀法外延生长一层较厚膜。

该极化声子凝聚态是在MH(墨西哥帽子环形)势阱中，该势阱的表达式：

这里V_ext(r)是空间相关的势阱能量，是墨西哥帽子势阱的半径。

将由涡旋光干涉装置中产生的高阶轨道角动量的涡旋光入射到半导体微腔的常温BEC中，即可将涡旋光的轨道角动量耦合到常温BEC的涡旋态中，同时涡旋光轨道角动量中的待测信息也会耦合进常温BEC中。此时，常温BEC通过物质波的干涉将涡旋光中携带的信息进行级联式激增，如图3所示。

(3)利用检测系统进行姿态角速率解算

根据Sagnac原理，当载体旋转时，量子阱的常温BEC中的相干涡旋叠加态的物质波会发生干涉。如图3所示，检测光射到涡旋物质波上发生受激辐射，然后检测受激辐射的光强或干涉条纹的相位变化即可得到姿态角速率信息。当采用CCD检测受激辐射的光强时，经其FFT变换即可得到旋转角速率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.波粒涡旋陀螺，其原理是级联涡旋光与常温玻色-爱因斯坦凝聚，利用涡旋光产生常温玻色-爱因斯坦凝聚的涡旋叠加态，将涡旋光的轨道角动量耦合到涡旋态常温玻色-爱因斯坦凝聚中，同时也将涡旋光轨道角动量中所携带的待测信息传递到常温玻色-爱因斯坦凝聚中；量子阱中常温玻色-爱因斯坦凝聚涡旋态物质波会随着平台转动发生干涉现象，通过检测系统检测其相位变化，即可得到姿态角速率信息；其结构组成主要包括激光光源(1)、扩束镜(2)、螺旋相位板(3)、玻色-爱因斯坦凝聚产生装置(4)、透镜(5)、检测用CCD(6)、检测光源(7)。

2.根据权利要求1所述的波粒涡旋陀螺，其特征在于：涡旋光在传播过程中，其波阵面会绕着传播方向以螺旋的方式前进，每个光子具有大小的轨道角动量，其中l为涡旋光光束的拓扑荷数；通过级联涡旋光惯性测量装置与半导体微腔量子阱装置，将携带有轨道角动量的涡旋光照射进半导体微腔的激子极化激元凝聚态中，产生高稳定性涡旋叠加态的常温玻色-爱因斯坦凝聚；半导体微腔量子阱与平台固连，会随着平台的旋转而转动，常温玻色-爱因斯坦凝聚的两个涡旋-反涡旋叠加态物质波的相位会发生变化，出现干涉条纹移动，通过检测系统获得待测数据，处理后即可得到相应的平台角速率信息；波粒涡旋陀螺的频移是涡旋光和常温玻色-爱因斯坦凝聚涡旋频移的耦合叠加，对于其灵敏度有激增放大的作用，因此利用波粒级联可实现陀螺的超高精度和超高灵敏度测量。