基于光学谐振腔的大面积冷原子束干涉技术及其惯性效应研究

Atom interferometry(AI) provide a tool for measuring inertial forces with extreme sensitivity and accuracy, which is playing more and more important roles in many fields like inertial navigation, Gradiometry, Geophysics and fundamental physics. This report proposes a novel AI with large enclosed area, base on a cold atom beam source and optical cavity for coherently manipulating atomic wavepackets. It's application in inertial sensors will also be explored. Major research interest will be focused on the mechanism, on which the interaction between atoms and light throuth a high-finissee cavity may produce the coherent manipulation of atomic wavepackets with a large momentum transfer and the wavefront of the manipulating light beams can be changed. The interest will be also placed on a cold atomic beam interferometry with the cavity-based large momentum beamsplitter and its inertial effects. The mode matching between the light and the optical cavity may allow one to reduce the noise from wavefront twist of the beamsplitter laser beam，which used to be a major limitation for improving the sensitivity of a cold atom interferometer. Multiple bounces back and forth of the manipulating photons inside the optical cavity and their interaction with the atoms may allow the the power of a large momentum transfer beamsplitter for constructing a large area atom interferometer to be reduced to the order of 10mW~100mW, as may make possible a large area atom interferometer with low power consumption or a more sensitive atom interferometer. Such research is expected to give a solution to the problem of the low date rate and difficulty of miniaturization faced with by the present AI-based inertial measurement technologies, and present a AI- based inertial sensor with a high bandwith and compact size.

原子干涉技术为惯性力测量提供了极端灵敏和精确的工具，在惯性导航、地球物理学和基础物理学研究等领域显示出日益重要的影响。本项目研究基于冷原子束和光学谐振腔的大面积原子干涉方法及其在惯性测量方面的应用。主要研究内容为基于光学谐振腔的大动量传输的原子波包相干操控技术：理解光学谐振腔对相干操控激光波前及原子波包动量分离的影响机制，研究基于这种新的原子相干操控方法的冷原子束干涉效应。我们希望通过光学谐振腔与原子波包操控激光的模式匹配，能够有效降低激光波前扭曲这一重要的原子干涉相位噪声；也希望通过激光光子在高精细度光学谐振腔内的多次作用，可以将当前大动量原子分束器所需的激光功率降低1-2个量级，从而实现低功率要求的大面积原子干涉仪，突破原子干涉仪的灵敏度极限。这项研究旨在探索一种高带宽、小型化和低功率的高精度原子干涉惯性测量方法，为当前制约原子干涉惯性技术存在的数据率低和小型化难的基本问题提供解决方案

项目研究目标旨在实现一种大带宽、可小型化和低功耗的高精度原子干涉惯性测量技术，为解决制约当前原子干涉惯性传感器实际应用的两个瓶颈问题（数据率低和小型化难问题）提供技术途径，为高精度原子干涉惯性传感器的应用奠定技术基础。我们提出采用连续冷原子束和高精细度光学谐振腔实现大面积原子干涉仪，研究其惯性效应。采用连续冷原子束源进行干涉可以提高原子干涉仪的数据率，增加原子干涉惯性测量技术的实用性；基于高精细度光学谐振腔进行原子波包的相干操控，有可能通过光学谐振腔与分束激光的模式匹配，一方面使得分束激光光子可以在谐振腔内多次往返，从而使原子干涉仪对分束激光的功率要求降低1-2个数量级，有望实现低功率的大面积原子干涉；另一方面，分束激光与光学谐振腔的模式匹配可以大大改善分束激光的波前扭曲，有效降低波前扭曲这一干涉仪灵敏度限制的重要系统噪声。.项目主要研究内容包括冷原子束的高量子相干性制备方法，低激光功耗要求的大动量原子波包的相干操控方法，低噪声原子能态探测技术，高数据率和可小型化的高精度原子干涉惯性测量方法。通过分子动力学仿真和实验手段研究冷原子束的高量子相干性制备方法，实现通量在10^9原子/秒量级、横向温度在200μK量级的冷原子束源。提出了基于塞曼减速器的新的高通量冷原子束源的制备方案，计算结果表明可以达到10^11原子/秒的原子束源通量；通过基于光学谐振腔的原子相干操控手段进行了大动量原子波包的操控和干涉技术研究，实现了多普勒敏感和不敏感的拉曼跃迁，最大观察到4ℏk的动量分离。基于光学谐振腔的手段，可以使得拉曼光的功率降低到1mW（传统拉曼光功率在百毫瓦量级）；利用连续冷原子束源进行Sagnac原子干涉实验并进行转动测量，获得原子干涉陀螺仪的闭环锁定，数据率最高可以达到790Hz。这些工作为实现小型化高带宽的原子干涉惯性器件提供了有价值的借鉴。