大型被动激光陀螺仪中剩余幅度调制效应的研究

Large scale laser gyroscopes can be used for fundamental research that is related to Earth rotational effect, and can also be used for cm-level satellites tracking. As a consequence, research on large scale laser gyroscopes is very important for both fundamental and applied physics. Large scale laser gyroscopes can be either active or passive gyroscopes. At the moment most of the large laser gyroscopes in the world are active gyroscopes. But with the development of technology, large passive laser gyroscopes have the potential to reach higher resolution and stability. Of course, large passive laser gyroscopes have their own drawbacks. The most serious one is residual amplitude modulation (RAM) effects. Since a passive laser gyroscope needs Pound-Drever-Hall locking, the RAM effects will be inevitably introduced into passive laser gyroscopes. RAM effects are well researched in ultra-stable lasers, but the effects on passive laser gyroscopes are seldom reported. The proposed project will study the RAM effects and their suppression using an already built passive laser gyroscope in our lab. The goal is to suppress the RAM effects to a level of 4×10^(-11) rad/s/rtHz using passive and active suppression techniques. We will further study the idea of impedance matching gyroscope ring cavity, with the ultimate goal of totally suppressing the RAM effects in passive laser gyroscopes. Our project aims to improve the Earth rotation measurement to a new sensitivity level through the research on large passive ring laser gyroscope, which has a significant meaning in the frontier of fundamental physics and major national strategy demands.

大型激光陀螺仪在地球自转相关的基础物理研究及厘米量级卫星精确定轨等方面有重要作用，既具有重要科学意义又富有应用价值。大型激光陀螺仪可分为主动式和被动式两种，目前主流大型激光陀螺仪都采用主动式，但随着技术的发展，被动式激光陀螺仪有望实现更好指标。研究表明，由于采用Pound-Drever-Hall锁定方式，会不可避免地受剩余幅度调制效应的影响，但其对陀螺仪转动测量的影响国际上鲜见报道。有鉴于此，本项目将利用我们已有的大型被动激光陀螺仪对剩余幅度调制效应及相应的抑制方案进行研究。采用主被动控制相结合的方法，目标将剩余幅度调制效应对转动的影响压制到4×10^(-11)rad/s/rtHz水平，并研究阻抗匹配环形腔的设计，希望能够提出将剩余幅度调制效应完全消除的方案，解决这一主要限制因素。从而将地球转动的测量推进到新的灵敏度范围，发挥它在基础物理前沿和国家重大战略需求中的重要作用。

大型激光陀螺仪可实现高精度的地球旋转测量，广泛应用于测地学、惯性导航和基础物理研究等领域。本项目研究发现，在利用Pound-Drever-Hall锁定办法实现的大型被动式激光陀螺仪系统中，剩余幅度调制噪声是其达散粒噪声极限的主要限制因素，相关成果发表在Sensors上。本项目详细分析了该项噪声的来源以及原理，并对其影响被动式激光陀螺仪的过程构建了理论模型。主动环路控制系统中内外环探测信号的相关性与噪声抑制效果成正相关，因此提出基于Pearson相关性分析的剩余幅度调制噪声的主动抑制方案，同时结合楔角电光调制晶体的使用，将剩余幅度调制噪声抑制近两个量级，在积分时间1000 s处的稳定度控制到了相对光频10^(-18)量级，对陀螺仪的影响在1 mHz处低至2×10^(-9) rad/s/rt(Hz)水平，相关成果发表在Meas. Sci. Technol.上。本项目还提出了一种基于寻常光全反射理论的楔角电光调制晶体的设计，理论上可解决晶体双折射效应引入的剩余幅度调制噪声。此外，还研究了环形腔阻抗匹配系数与被动式激光陀螺仪系统中的剩余幅度调制噪声的影响，并且设计了一种高精细度阻抗匹配的陀螺仪环形腔以消除系统中的剩余幅度调制噪声。将基于相关性分析的剩余幅度调制噪声的主动控制技术应用于周长12米的大型被动式激光陀螺仪系统中，实现了角速度分辨率在积分时间万秒达到4×10^(-10) rad/s的水平，首次实现大型被动式激光陀螺仪长期高精度连续运转，该指标是目前被动式激光陀螺仪领域中的最好水平，相关成果发表在Appl. Opt.上。项目的顺利结题对实验室实现高角速度分辨率的大型被动式激光陀螺仪的进一步发展打下了坚实的基础。项目资助期间共毕业2名博士研究生、1名硕士研究生，培养2名在站博士后，共发表16篇SCI文章，申请6篇专利，参加了6次国内外学术交流会议。2021年11月在武汉主办了第三届引磁效应和大尺度旋转测量国际研讨会，与国内外多家单位开展了广泛的学术合作。