[论文解读] Multi-axis atom interferometer gyroscope with a single source of atoms

Yun-Jhih Chen, Azure Hansen+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 49被引用 8

一句话总结

本文展示了一种基于单个冷原子源的多轴原子干涉仪陀螺仪，利用点源干涉技术（PSI）在玻璃真空腔体内同时测量拉曼光束方向上的线性加速度以及垂直平面内的旋转矢量分量。在1秒平均时间下，实现了0.033°/s的旋转幅度灵敏度和0.27°的方向灵敏度，实现了紧凑、便携的惯性传感，具备陀螺罗盘和极移追踪的潜在应用。

ABSTRACT

Using the technique of point source atom interferometry, we characterize the sensitivity of a multi-axis gyroscope based on free-space Raman interrogation of a single source of cold atoms in a glass vacuum cell. The instrument simultaneously measures the acceleration in the direction of the Raman laser beams and the component of the rotation vector in the plane perpendicular to that direction. We characterize the sensitivities for the magnitude and direction of the rotation vector measurement, which are 0.033 $^{\circ}/\mathrm{s}$ and 0.27 $^{\circ}$ with one second averaging time, respectively. The sensitivity could be improved by increasing the Raman interrogation time, allowing the cold-atom cloud to expand further, correcting the fluctuations in the initial cloud shape, and reducing sources of technical noise. The unique ability of the PSI technique to measure the rotation vector in a plane may permit applications of atom interferometry such as tracking the precession of a rotation vector and gyrocompassing.

研究动机与目标

• 开发一种利用单个冷原子源的紧凑型、低尺寸-重量-功率（SWaP）惯性传感器，用于多轴旋转与加速度传感。
• 克服传统多轴陀螺仪需要多个原子源或复杂脉冲序列的局限。
• 通过点源干涉技术（PSI）实现沿拉曼光束方向的加速度与垂直平面内旋转矢量分量的同时测量。
• 评估并减轻由原子云有限尺寸和实际噪声引起的旋转矢量测量中的系统误差。
• 探索利用PSI在平面内旋转矢量的二维灵敏度在陀螺罗盘和极移追踪中的应用。

提出的方法

• 采用点源干涉技术（PSI），利用玻璃真空腔体内单个各向同性膨胀的冷原子云。
• 应用三脉冲拉曼光束序列（分束器-反射镜-分束器）在每个原子上构建物质波马赫-曾德尔干涉仪。
• 利用膨胀原子云中显著的位置-速度相关性，保持干涉仪相位移，其可表现为原子密度分布中的空间条纹图案。
• 通过沿拉曼光束方向的条纹移动测量加速度，通过条纹图案测量垂直于该方向平面内的旋转矢量分量。
• 通过横向平面内原子云的成像提取由惯性效应引起的相位移。
• 采用单一拉曼光束配置并固定光束方向，同时感知加速度与旋转，避免了对多个光源或光束重新配置的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以使用单个冷原子源同时测量平面内加速度与多个旋转分量？
• RQ2 初始原子云的有限尺寸对基于PSI的陀螺仪中旋转矢量测量精度有何影响？
• RQ3 在紧凑型单源原子干涉仪中，限制旋转灵敏度的主要技术噪声源是什么？
• RQ4 基于PSI的陀螺仪是否能够达到实际应用（如陀螺罗盘或极移追踪）所需的灵敏度？
• RQ5 在单源配置下，灵敏度如何随拉曼探测时间与原子云膨胀时间变化？

主要发现

• 该仪器在1秒平均时间下实现了0.033°/s的旋转矢量幅度灵敏度，主要受限于短的拉曼探测时间（8 ms）。
• 旋转矢量方向的测量灵敏度为0.27°，表明角分辨率受限于技术噪声和原子云尺寸效应。
• 由初始原子云有限尺寸引起的系统误差导致测得的旋转速率降低至模拟值的79–92%，与高斯云模型一致，并符合预期的1−σ₀²/σ_f²修正因子。
• 旋转相位移对位置相关的噪声和偏移漂移不敏感，因为这些因素仅影响干涉仪偏移，对旋转测量的一阶影响可忽略。
• 估计旋转镜和平台振动噪声的贡献分别为2×10⁻³ °/s 和 5×10⁻⁵ °/s（在1秒平均时间下）。
• PSI的二维灵敏度天然适用于陀螺罗盘应用：地球自转矢量在水平面的分量指向地理北极，条纹计数与纬度余弦成比例。