原子干涉重力测量原理性实验研究.pdf

华中科技大学 博士学位论文 原子干涉重力测量原理性实验研究 姓名：周敏康 申请学位级别：博士 专业：理论物理 指导教师：胡忠坤;罗俊 2011-03-30 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 摘 要 摘 要 重力加速度 g 是描述地球重力场的关键参数之一，对其实时实地的精确测量具 有重要科学意义绝对重力测量依赖于高精度的绝对重力仪原子干涉绝对重力仪 因具有较高的灵敏度和测量精度而日益得到重视 为了开展高精度重力测量和相关引力实验研究，我们进行了冷原子干涉重力测 量的原理性实验研究冷原子重力仪采用自由落体运动的冷原子作为检验质量，用 相位相干的 Raman 光对其进行操控实现原子干涉干涉相位包含重力加速度 g 和 Raman 光位相等信息，通过用激光相位补偿重力加速度引起的相移，可以测量出重 力加速度的绝对值原子干涉重力测量的关键技术有：首先用磁光阱技术实现 87Rb 原子的冷却和囚禁，并通过改变囚禁光的频率加速原子形成冷原子喷泉；然后用 /2/2πππ−−Raman 激光脉冲操控原子实现原子干涉；最后通过探测原子处于末态 的概率获得原子干涉条纹和重力加速度信息。

本文详细介绍了冷原子重力仪的实验设计、冷原子喷泉的实验搭建过程、操控 原子的锁相 Raman 光研制过程以及利用原子干涉仪测量重力加速度的初步实验结 果实验研究表明：1)原子喷泉高度在 1m 内可控，上抛后的原子团温度为7μK，原 子数目在108量级；2) Raman光相噪在100Hz~100kHz频段达到-90dBc/Hz；3)原子 干涉重力测量在203s积分时间对应的噪声水平为 9 6 10g − ×，并利用该装置记录了8 天的潮汐数据 为了评估原子干涉重力测量的噪声水平，本文分析了Raman光相噪、Raman光 功率波动、磁场波动和地面振动噪声等基本噪声源对该重力仪的影响分析表明， 地面振动噪声是目前限制该重力仪分辨率提高的主要因素此外，我们实验上证明 了磁敏感原子干涉仪可以用来测量真空中的磁场梯度，并指出该方法可以用于修正 磁场不均匀导致的测 g 系统误差 关键词：关键词：绝对重力仪 冷原子喷泉 原子干涉 磁场梯度测量 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract The local gravity acceleration g is a key parameter for describing the earth’s gravity field, while the accuracy of g measurement is dependent on the absolute gravimeters. In recent years, atom interferometry gravimeters have been proved to be a useful tool for absolute gravity measurements. Because of its high potential sensitivity, we are trying to develop a cold atom gravimeter in our cave lab for precision gravity measurements and gravitational experiments. The cold atom gravimeter is based on the atom interferometry technology by coherently driving the free-falling cold atoms with phase locked Raman beams. By compensating the g induced phase with the well controlled Raman lasers’ phase in an atom interferometer, we can find the center of the interferometry fringe, and then get the absolute value of g precisely. In order to experimentally realize an atom inrerferometry gravimeter, cold atoms were prepared in a magnetic-optical trap, launched upward to form an atom fountain, and then coherently manipulated by the /2/2πππ−− Raman pulses to obtain an atom interferometry fringe, while the local gravity was deduced from the interference signal. The experimental setup of atom fountain, the phase locked Raman lasers and the primary results of gravity measurement with our atom gravimeter are presented in this thesis, which shows that: 1) about 108 atoms with temperature of 7μK have been launched to a height of 1m by the cold atom fountain; 2) Raman lasers with low phase noise of -90dBc/Hz between 100Hz to 100kHz are realized; 3) the resolution of the atom gravimeter is 9 6 10g − × within 203s integration time, and 8 days earth-solid-tide data was also recorded by our gravimeter. In order to improve the resolution of this gravimeter, we have analyzed the influences of many possible noise sources. It shows that the sensitivity of our gravimeter is currently limited by the seismic noise. In addition, we have experimentally demonstrated that the magnetic field sensitive atom interferometer could be used to precisely map the magnetic field in vacuum, and this method is useful in correcting the systematic error due to magnetic field inhomogeneity in an atom gravimeter. III 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 Keywords: Absolute gravimeter Cold atom fountain Atom interferometry Measurement of magnetic gradient 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1 引 言 1 引 言 1.1 重力加速度测量的意义重力加速度测量的意义 重力加速度 g 是一个随时间和空间变化的关键重力场参数精确测量重力加速 度是监测地球重力场变化的重要手段之一，为分析重力场的变化规律、地壳的运动 和结构、 地表的重力场参数等提供实验数据[1]。

高精度的重力测量已经成为地球物理、 空间科学、海洋探测等领域必不可少的重要观测手段 概括起来，重力加速度 g 的测量意义可以分为以下几点[2-4]： ? 通过监测重力场的变化，可以得知地球局域质量分布的变化，如火山的运动， 地核、地壳的结构和运动信息等； ? 监测重力场的反常变化，为地球物理学和大地测量学提供实验数据，如对地震 的研究、水平面的变化研究、环境与灾害监测、地下和海底资源勘探等； ? 高精度的测量地球表面重力场参数，建立重力基本网，能有效的服务于航空、 精确制导等领域； ? 重力加速度的测量在测量学和基础科学研究上有着广泛应用重力测量能为一 些物理量的重新定义提供参考，例如现在比较热门的对质量“1千克”进行重 新定义的Watt天平[5-8]，目前NPL和NIST的Watt天平相对精度[7]达到10-7， 法国测量局(BNM)正在实施一个质量测量精度达10-8的Watt天平项目质量的 测量精度如果要到10-8，则重力加速度g的精度应该到10-9量级，BNM目前采 用冷原子重力仪来实时测量当地重力加速度值；重力加速度的精确测量还为实 验室引力实验提供一种精密测量手段，例如进行万有引力常数G的精确测量 [9-12]、等效原理的检验[13]等，具有重要的科学意义。

因此，对重力加速度的精 确测量是自然科学的重要基础问题之一 精密重力传感器是重力测量必不可少的核心设备，重力仪的精度决定了人们对 重力场的认知水平高精度的重力仪一直是科学家追求的目标，关于重力仪的现状 将在下节介绍我们实验室研制重力仪的目的是建立一个μGal(10-9g)级的重力台站， 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 既可以实时的测量重力加速度 g 又能用来标定相对重力仪，同时还能开展相关引力 实验研究由于原子干涉重力仪具有测量频率高和潜在灵敏度高[14]的优点，我们采 用其做为重力测量的关键仪器，对其进行研制，希望形成自主知识产权 1.2 高精度重力仪的现状高精度重力仪的现状 重力仪可以分为相对重力仪和绝对重力仪相对重力仪对重力变化的测量具有 很高的灵敏度，具有代表性的相对重力仪有弹簧重力仪和超导重力仪La Coste-Romberg相对重力仪是一种零长弹簧重力仪，该重力仪的灵敏度[1]可达10-10 g/Hz1/2Maryland大学H.J.Paik教授研制的超导重力仪是目前世界上灵敏度最高的相 对重力仪，该重力。