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冷原子干涉儀及空間應用

  • 簡介:(畢業論文 頁數:4 字數:3313)冷原子干涉儀及空間應用 摘 要:原子干涉儀是利用原子物質波的特性而實現的干涉儀,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉儀具有很高的靈敏度.文章介紹了原子干涉儀的基本物理原理、國...
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(畢業論文 頁數:4 字數:3313)冷原子干涉儀及空間應用

摘 要:原子干涉儀是利用原子物質波的特性而實現的干涉儀,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉儀具有很高的靈敏度.文章介紹了原子干涉儀的基本物理原理、國內外研究進展、原子干涉儀實現方案及其在精密測量和空間科學領域中的應用.

關鍵詞:冷原子,原子干涉儀,慣性測量
  
Abstract Atom interferometers are based on the matter wave feature of atoms. Cold atoms have low velocity, small velocity distribution and good coherence, thus cold atom interferometers display excellent sensitivity. In this paper, we describe the basic principle, recent progress, realization schemes and space applications of cold atom interferometers.
  
Keywords cold atom, atom interferometers, gravity measurement

目錄

  1 引言

  2 原子干涉儀的原理

  4 原子干涉儀在精密測量中的應用

  5 原子干涉儀空間應用

  6 小結


  
1 引言
  
  波的干涉是自然界的本質特性.光是一種電磁波,光的干涉現象早已被人認識.根據量子理論,任何微觀粒子(如電子、中子、原子、分子)都具有波粒二象性,微觀粒子的波動性(稱為物質波或德布羅意波)由波函數描述,服從薛定諤方程.物質波同樣滿足線性疊加原理,具有相干性.自從1991年實現了脈沖式原子干涉儀以來[1],原子干涉儀在精密測量領域得到了廣泛的應用,典型的應用有重力加速度測量和重力梯度測量[2,3],旋轉速率測量和地球自轉速率的測量[4,5,6],牛頓引力常數的測量[7—10]以及精細結構常數的測量[11]等.利用原子干涉儀驗證等效性原理[12,13]以及原子干涉儀在空間應用已經引起關注[14,15].
  原子干涉儀基于物質的波動特性,實質是對原子波包的相干操作.將原子波包相干地分束和合束后形成兩個或者多個路徑,觀察這些不可區分路徑即產生干涉條紋.操作原子波包的方式有激光駐波形成的衍射光柵結構[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物質波具有與光波不同的內稟特性,基于原子干涉的原子陀螺儀和原子加速度計,可達到的靈敏度遠高于激光陀螺儀或激光加速度計.理論上分別求解光波波動方程和物質波的薛定諤方程,可得到同等環路面積條件下,原子陀螺儀與光學陀螺儀靈敏度的比值為
Rgyro=mc2hν=λλdeBcv ,(1)其中c為真空中光速,λ是光波波長,ν是光頻率,υ為原子的運動速度, m是原子的質量,λdeB=h/mυ是原子的德布羅意波波長.因為λdeB λ,且υ  c,故在典型條件下,Rgyro ~ 1010,即原子陀螺儀的內稟靈敏度可比同面積的激光陀螺儀高10個量級.這是由于物質波波長遠小于可見光的波長,所以與激光干涉儀相比,原子干涉儀對更小的變化更靈敏;又由于原子的運動速度遠慢于光速,因此在原子陀螺儀中,原子飛越相同的干涉路程時將經歷更長時間的轉動,從而產生更大的條紋移動.類似的分析發現,原子加速度計的內稟靈敏度與光學的比值為Raccel=2mc2hνcv=2λλdeB(cv)2 .(2)在典型條件下,該比值達1017.

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