一种新的6轴冷原子干涉仪惯性测量方法

    利用冷原子干涉仪能够精确地测量载体的加速度和角速度,从而使得冷原子干涉仪应用于高精度的惯性导航中,这方面的研究工作已经在美国、德国和法国等国家的大学与研究所展开。2000年美国耶鲁大学T.L.Guatavson等人^[1]采用相向传播的两束原子进行旋转角速度测量。2006年B.Du-betsky等人^[2]提出一种不对称的双环结构实现重力和旋转角速度的选择测量。2006年法国的B.Can-uel等人^[3]利用对抛的冷原子团研制了6轴惯性敏感器,实现多个惯性参数的测量。而由冷原子干涉惯性敏感器组成的自主式导航系统在没有GPS的情况下其系统定位误差将小于5 m/h^[4]。

    单轴干涉仪测量的是沿着单一轴的线性加速度和对应的旋转角速度,由于在惯性导航中载体高速运动,需要同时在同一位置测量全部的惯性参数,我们提出了一种将多个单轴干涉仪功能合为一体,同时测量3轴加速度和角速度的原子干涉仪方案。

    1　基本原理

    1.1　原子的分束

    Raman激光与冷原子相互作用使冷原子处于相干叠加态,不同的内态对应于不同的原子动量,使两部分原子在空间上分离。由于激发原子Raman激光有多个传播方向,为避免原子受其他方向脉冲的干扰,易构造干涉平面,同时也便于干涉的检测。选择双光子Raman跃迁反冲速度达60 mm/s的钠原子,而铷原子和铯原子反冲速度分别为6 mm/s和7 mm/s。且选取直径为 1~2 mm(1/e²)的空间域Raman脉冲和冷原子束^[1,5-7]。

    为确保相干效率最高,保证最终相互干涉时2条路径上原子数量相等,需要通过不同类型的Ra-man脉冲使原子分束成不同的原子数量比例。标记钠原子的2个超精细基态能级

式中　3S_1/2为原子所处状态;mF为原子磁量子数,F为原子总角动量量子数。

    当冷原子处于低能态|1〉时,与光脉冲相互作用后,原子的波函数为

式中　ω为拉比频率;τ为原子与光脉冲的作用时间;φ为光脉冲的相位。

    当冷原子处于高能态|2〉时,与光脉冲相互作用后,原子的波函数为

    原子处于|1〉和|2〉态上的布局数分布由ωτ值确定,这取决于Raman脉冲的光强和原子与光的相互作用时间,原子布局数以拉比周期往复振荡(见图1),设定ωτ的值,可对冷原子实现所需的比率的分束。

    表1为几个特定的ωτ值对应的原子处于不同原子态的布局数比率。

    1.2　干涉平面的构造