光和原子量子加速度计的研究

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加速度的精密测量在众多领域有着广泛的应用。加速度计的基本工作原理是对其中安装试验体的位移进行测量;这种高灵敏度的位移测量可以使用电容式、压电式、压阻式或光学式等方法实现。部分传统的加速度计,在重力或地震等测量中拥有极高的分辨率,精度可以达到fg/√Hz,但该类加速度计截止测量频率远低于k Hz,对压电器件等快速运动的物体测量往往不起作用;如果加速度计可在几十千赫的大带宽上保持极高的分辨率,会在快速运动物体的惯性导航中有很大意义。但是加速度计在具体的应用中,其测量带宽和测量分辨率呈负相关,加速度传感器所需的带宽越大,达到相同灵敏度所需的位移分辨率就越高。同时,大带宽的加速度计在较低频加速度的测量中不具优势,这也增加了加速度测量的成本。目前,加速度校准最先进的方案使用精心设计和仪器化的振动台,这些振动台受加速度驱动力作用而移动,然后使用激光干涉对加速度进行测量。振动台上振子的力学性能,如刚度(质量和谐振频率)和品质因子,在位移测量中对加速度的传感极限和转导中也起着重要的作用。在光机械系统中,只有在理想的系统(无损耗)下,实际位移灵敏度才能达到标准量子极限。特别是,对于在较高温度下的高性能加速度传感,将需要一个大的振荡器质量和高质量因子用以削弱经典热噪声的影响,这就增加了加速度计的制造难度和性能改进。本文主要针对加速度计精度难以突破标准量子极限、以及加速度计带宽难以转变以实现最优测量的现状,介绍并分析利用量子存储辅助以及光和原子混合干涉仪构建高精度加速度计的方法。我们做了如下理论设计:1.冷原子可以通过磁光阱囚禁。当囚禁光通道关闭时,原子因为惯性短暂的处于悬浮状态,可视为非惯性参考系中产生相对位移的测试质量。对于加速度计来说,测量误差的主要来源是热布朗运动,包括测试质量与反射端面镜受到的影响。用冷原子替代测试质量,以及使用存储辅助进行光路折返,可以规避热布朗噪声带来的影响,从而有效增加加速度计的灵敏度。2.在量子存储中,需对存储光进行写入与读取,此时,存储时间可作为可操控的计量变量。对加速度的感应必须在一个存储周期内完成,这意味着存储频率是感应加速度的频率上限。通过改变信号光的存储时间,可以有效改变加速度的测量频段,实现不同带宽之间的转换,有助于寻找特定频段下相应的最佳测量灵敏度。
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