微伽级原子干涉绝对重力仪原理样机的研制

作为测量绝对重力、校准相对重力仪和进行国际重力比对的核心设备，高精度绝对重力仪在地球物理研究中具有重要应用价值，同时也可以应用于瓦特天平质量标准、等效原理检验等基础科学研究。本项目拟在课题组前期原子干涉重力测量实验研究的基础上，开展微伽级原子干涉绝对重力仪原理样机的研制工作。本项目的主要研究内容有：高精度原子干涉重力测量技术研究，以降低量子投影噪声的基本限制和提高重力测量灵敏度；地面背景振动隔离技术研究，以降低地面背景振动的外部噪声限制；原子干涉绝对重力测量随机误差和系统偏差分析研究，以给出绝对重力测量的不确定度评估；重力仪原理样机性能测试研究，以给出绝对重力仪操作和数据处理规范。通过低量子噪声的原子干涉技术、低相噪的激光稳频锁相技术、超低频隔振技术和背景物理场效应测量和抑制等关键技术的攻关，研制100s积分时间内噪声水平为1微伽，测量标准不确定度为5微伽的原子干涉绝对重力仪原理样机。

高精度原子干涉重力仪在绝对重力测量、地球物理以及其他基础科学研究方面有重要应用。本项目在课题组前期研究基础之上，为满足国家对高精度重力测量仪器的需求，开展了微伽级原子干涉重力仪的研制。项目实施期间，课题组完成了原子干涉重力测量的原理性实验，并在此基础上通过二维磁光阱技术、光学锁相环技术以及主动隔振技术分别抑制了重力测量中的探测噪声、Raman光相位噪声以及振动噪声。在进行了这些改进之后，原子干涉重力仪的分辨率提高到了4.2×10-9g/Hz1/2的水平，100s积分时间的噪声水平优于1微伽，达到了世界先进水平。在分辨率满足要求之后，课题组进行了原子干涉重力测量的系统误差评估研究。理论上分析了Raman光频移引入系统误差的物理机制，采用调制积分时间的方法实验上验证了理论预研。在此基础上通过改变光频移的大小，利用原子重力仪直接测量了光频移引入的系统误差，实验表明光频移引入的不确定度小于0.1微伽。在精确测量磁场分布的基础上，利用原子干涉仪对磁场梯度响应的特性，评估磁场引入的不确定度在0.2微伽水平。采用精确改变Raman光波矢方向的方法，测量了原子重力仪输出与波矢方向的关系，由此评估出该项系统误差在0.4微伽水平。实验上观测到隔振装置的力学响应也会引入系统偏差，本项目采用增加外部激励的方式直接测量了该项系统偏差，不确定度为1微伽。除此之外，本项目还对重力梯度、频率链等多项误差进行了评估，并对波前畸变等重要系统误差提出了解决方案。系统误差的评估工作进一步提升了原子干涉重力仪的稳定性。本项目的实施和相关技术积累将为原子干涉仪的实际应用提供基础。