原子干涉陀螺儀精密測量及應用

李潤兵，姚戰偉，魯思濱，蔣 敏，李少康，王 謹，詹明生

(中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，原子精密感知重點實驗室，武漢 430071)

0 引言

隨著原子分子物理的發展，人們開始研制原子干涉陀螺儀。在國際上，歐美發達國家率先開展了原子干涉陀螺儀的研究，研究方案可以歸納為兩類：其一是冷原子干涉陀螺儀，法國巴黎天文臺首先實現了冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為2.2×10-6(rad/s)/Hz1/2，分辨率為1.4×10-7(rad/s)@600s[1]；美國斯坦福大學冷原子干涉陀螺儀的靈敏度為8.5×10-8(rad/s)/Hz1/2[2]；德國漢諾威大學冷原子干涉陀螺儀的靈敏度為1.2×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為2.6×10-8(rad/s)@100s[3]。我們國家也非常重視原子干涉陀螺儀，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院(簡稱精密測量院)等相繼開展了冷原子干涉陀螺儀研究。精密測量院在國內率先實現了冷原子干涉儀[4]，通過研究受激拉曼過程中的相關物理問題[5-7]，解決原子干涉儀中的技術難題并發展新方法[8-10]，實現了冷原子干涉陀螺儀[11]的靈敏度為1.2×10-6(rad/s)/Hz1/2，分辨率為6.2×10-8(rad/s)@2000s[12]。近期，法國巴黎天文臺研制出高度為2m的四脈沖冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為3.3×10-8(rad/s)/Hz1/2，分辨率為3×10-10(rad/s)@10000s[13-14]；精密測量院研制出長度為1m的三脈沖冷原子干涉陀螺儀，靈敏度為1.5×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為9.5×10-10(rad/s)@23000s[15]。其二是原子束流干涉陀螺儀,美國耶魯大學實現了長度為2m的原子束流干涉陀螺儀，靈敏度為6×10-10(rad/s)/Hz1/2 [16-17]，分辨率為3.4×10-10(rad/s)@17000s[18]。目前，原子干涉陀螺儀還有很大的提升空間，發展高精度原子干涉陀螺儀非常必要。

原子干涉陀螺儀作為一種新型精密測量儀器，可以精確測量載體的轉動信息，因此，研制高精度原子干涉陀螺儀對發展我國精密測量科學與應用技術有著重要的意義。由于原子的量子屬性，決定了原子干涉陀螺儀具有更好的長期穩定性、漂移小、精度高，且通過長時間積分后能夠達到更高的轉動測量分辨率。為了能夠更好地將原子干涉陀螺儀用于精密測量科學和技術，人們正在探討如何提高原子干涉陀螺儀測量精度的命題。原子干涉陀螺儀的測量精度主要取決于兩個方面：其一是如何增大原子干涉環路面積；其二是如何盡可能地降低原子干涉條紋的相位噪聲。一方面，隨著激光冷卻技術的發展和成熟，冷原子干涉陀螺儀將在小型化、集成化等方面更具優勢，且在長航時高精度慣性導航定位方面具有更大的發展潛力，因此，研制冷原子干涉陀螺儀對發展我國長航時高精度慣性導航定位技術有著重要的意義；另一方面，振動噪聲是限制高精度原子干涉陀螺儀的最主要因素，原子束流相對受重力的影響更小，從靈敏度函數分析可知，在不考慮尺寸限制的情況下，采用拉曼激光相干操作原子束流的方案更適合研制大型高精度原子干涉陀螺儀，可用于廣義相對論檢驗等精密測量物理[19]。

本文綜述了原子干涉陀螺儀的研究進展和發展趨勢。首先介紹了廣義相對論檢驗對原子干涉陀螺儀的需求，然后介紹了原子干涉陀螺儀在慣性導航定位方面的應用技術。在此基礎上，結合原子干涉陀螺儀在精密測量和應用技術領域的需求，綜述了在原子干涉陀螺儀方面取得的研究成果和研究進展。最后，對原子干涉陀螺儀未來的發展前景和發展趨勢做出了分析和展望。

1 原子干涉陀螺儀廣義相對論檢驗

廣義相對論和量子力學是現代物理的兩大支柱，如何將量子理論中的概念應用到廣義相對論的框架中仍然是一個尚未解決的問題，雖然有證據顯示廣義相對論理論并不完善，但廣義相對論效應檢驗一直是國際上物理學家極為關注的研究熱點。廣義相對論是描述物質間引力相互作用的理論，這一理論把引力場解釋成時空彎曲。在廣義相對論框架下，旋轉物體和非旋轉物體產生不同的引力場，例如，1916年荷蘭物理學家威廉·德西特(Wil-lem de Sitter)預言引力場時空曲率造成測試質量的自旋角動量沿測地線進動，被稱為測地線效應(Geodetic Effect)[20]；1918年奧地利物理學家約瑟夫·蘭斯(Joseph Lense)和漢斯·蒂林(Hans Thirr-ing)預言旋轉物體對周圍時空產生拖拽，即參考系拖曳效應(Frame-Dragging Effect)，這種現象使得測試質量的狀態和牛頓力學的結果產生偏差，也被叫作蘭斯-蒂林效應(Lense-Thirring Effect)[21]。測地線效應和參考系拖曳效應為廣義相對論效應檢驗提供了一種實驗方法。2004年，美國國家航空航天局(Natio-nal Aeronautics and Space Administration,NASA)發射了一顆科學探測衛星引力探測器B(Gravity Probe B，GP-B)，旨在利用超高精度陀螺儀探測地球周圍的時空曲率和參考系拖曳，從而對愛因斯坦廣義相對論的正確性和精確性進行檢驗。GP-B的研發歷史可追溯到20世紀60年代[22]，至2004年正式升空長達40多年，耗資達7億5000萬美元。探測衛星的飛行持續到2005年，共采集了1年的數據，其后任務進入到了數據分析階段，2011年公開發表的結果證實了廣義相對論所預言的測地線效應的準確度達到0.28%，所預言的蘭斯-蒂林效應的準確度為19%，與檢驗目標還有量級的差距[23]。提高蘭斯-蒂林效應的測量精度非常必要，在地面獨立測量蘭斯-蒂林效應對檢驗廣義相對論效應有著重要的意義。隨著陀螺儀技術的發展，人們開始討論在地面實驗室使用大型激光陀螺儀測量蘭斯-蒂林效應的方案[24-25]。研制高精度陀螺儀是檢驗廣義相對論效應首先要考慮的問題，作為廣義相對論檢驗的雛形，人們開始研制大型環形激光陀螺儀裝置。例如，意大利實現了3.6m×3.6m的激光陀螺儀(GINGERino)，分辨率為3×10-11(rad/s)@500s[26]；德國實現了4m×4m的激光陀螺儀(G Ring)，分辨率為2×10-12(rad/s)@1800s[27]，還在研制21m×17.5m 的大型激光陀螺儀(UG-1)[28-29]；新西蘭實現了39.7m×21m的大型激光陀螺儀(UG2)，分辨率為2.8×10-12(rad/s)@2000s[30]；我國也非常重視大型激光陀螺儀的研制，華中科技大學等開展了相關研究工作，分辨率為2×10-9(rad/s)@1000s[31]。

原子干涉陀螺儀是測量轉動信息的儀器，在廣義相對論框架下，考慮引力效應，利用原子干涉陀螺儀也可以檢驗廣義相對論效應，采用不同研究方案獨立地檢驗廣義相對論效應能夠更好地排除系統誤差，有利于提高廣義相對論效應檢驗的可靠性。原子干涉儀的原理是利用拉曼激光相干操作原子波包，實現原子波包的分束、反射和合束，從而形成原子干涉環路，原子干涉條紋的相移可表示為

δФ=Keff·gT2+2Keff·(Ω×v)T2+φlaser

(1)

其中,Keff為拉曼激光的有效波矢；T為兩個拉曼激光脈沖之間的時間間隔；v為原子的運動速度；g為原子感受到的重力加速度；Ω為原子干涉環路感受到的轉動信息；φlaser為原子干涉環路感受到的激光相位。式(1)中右邊第一項為重力引起的相移，第二項為薩格納克效應引起的相移。當把原子干涉陀螺儀放置在地球表面實驗室時，在廣義相對論框架下，考慮地球重力和自轉引起的薩格納克效應、測地線效應和蘭斯-蒂林效應，原子干涉條紋的總相移可表示為

δΦ?Keff·gT2+2KeffvT2ΩE[cos(θ+ψ)-

sinθsinψ)]+φlaser

(2)

其中，r為原子干涉陀螺儀的位置；M為地球的質量；ΩE為地球自轉速度；RE為地球的平均半徑；θ為原子干涉陀螺儀所處位置的余緯；ψ為原子干涉陀螺儀指向和所處位置地球半徑方向的余角。當原子的運動速度相反時，式(2)中地球自轉效應引起的原子干涉條紋的相移也是相反的。因此，采用空間對稱的雙原子干涉環路，通過差分測量的方法扣除重力效應和抑制激光相位等外部環境噪聲，地球自轉效應引起的雙環路原子干涉條紋的相移可表示為

(3)

式(3)方括號中三項表達式分別代表著不同的含義，第一項為地球自轉引起的薩格納克效應；第二項為地球自轉引起的測地線效應；第三項為地球自轉引起的蘭斯-蒂林效應。可以看出，通過設置原子干涉陀螺儀的指向(ψ)，可以分離薩格納克效應、測地線效應和蘭斯-蒂林效應，并檢驗廣義相對論效應。以上三項效應均由地球自轉引起，因此，地球自轉速度的精確測量非常重要。

通過精確測量地球自轉信息可以檢驗廣義相對論預言的蘭斯-蒂林效應。理論分析表明，為了檢驗廣義相對論效應，在武漢建立原子干涉陀螺儀裝置，如果測地線效應和蘭斯-蒂林效應要達到1%的檢驗精度，其分辨率需要達到3.5×10-14rad/s，意味著地球自轉速度的測量精度要優于10-9。目前,原子干涉陀螺儀的分辨率為3.5×10-10rad/s，距離檢驗廣義相對論效應尚有較大的差距。然而，隨著近年來原子干涉陀螺儀的快速發展，有望盡早達到檢驗廣義相對論效應所需的精度。從式(3)也可以看出，原子干涉陀螺儀的靈敏度與干涉長度平方成正比，經過前期分析，研制大型原子干涉陀螺儀(長度20m)的預期分辨率可以達到檢驗廣義相對論效應的精度，長時間積分后可以將廣義相對論效應檢驗精度提高到優于1%的水平。因此，研制大型原子干涉陀螺儀有著重要的意義，并提出了通過大型原子干涉陀螺儀實現在武漢緯度檢驗廣義相對論效應的方案[19]。

2 原子干涉陀螺儀監控導航技術

在高精度長航時慣性導航定位方面，陀螺儀作為其核心關鍵器件，扮演著非常重要的角色，原子干涉陀螺儀具有很高的靈敏度和很好的零偏穩定性。從目前的研究進展來看，冷原子干涉陀螺儀的精度提升潛力巨大，是高精度慣性導航技術最有競爭力的候選之一；然而，由于工作模式和操控技術的限制，冷原子干涉陀螺儀目前還不能滿足慣性導航系統的應用需求。冷原子干涉陀螺儀的實際應用主要受限于以下三個方面：1)典型工作模式下，冷原子干涉陀螺儀的采樣率不高。為提高冷原子陀螺的轉動測量精度，需要降低原子的溫度以保持較窄的原子速度分布，進而提高原子相干性、改善原子干涉信號的信噪比。同時還需要盡可能地增大原子干涉環路面積，然而，隨著原子干涉環路面積的增大，冷原子干涉陀螺儀的測量周期也隨之增加，限制了冷原子干涉陀螺儀采樣率的提高[13,32]。2)非連續的工作模式不能實時測量載體完整的動態信息。例如，冷原子團制備需要一定時間，而這段時間原子沒有參與到轉動測量中，導致冷原子干涉陀螺儀在測量周期中出現死時間。冷原子的快速裝載、原子冷卻與原子干涉過程交替運行等技術為解決死時間提出了新的思路[33]，但是尚未完全解決死時間的問題。3)冷原子干涉陀螺儀在轉動角速度測量過程中，與重力加速度耦合在一起，改變了原子的運動軌跡，在一定程度上限制了冷原子干涉陀螺儀的角速度測量范圍[34]。

高精度慣性導航系統對陀螺儀的采樣率和長期穩定性要求較高，通常情況下，通過增加原子的自由演化時間來提高冷原子干涉陀螺儀的靈敏度和減小漂移。然而，增加自由演化時間會降低冷原子干涉陀螺儀的采樣率。原子干涉陀螺儀具有好的長期穩定性，但是采樣率較低，相較而言，光纖陀螺儀采樣率較高，但是漂移較大，且長期穩定性較差。為了充分發揮冷原子干涉陀螺儀長期漂移小的優點、降低對冷原子陀螺儀采樣率的要求，借鑒了組合守時系統[35-36]和組合導航系統[37-38]的理念，實現了基于冷原子陀螺儀駕馭光纖陀螺儀的組合陀螺儀。該組合陀螺儀由冷原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀構成，利用高精度冷原子干涉陀螺儀校正光纖陀螺儀，以抑制光纖陀螺儀漂移導致的誤差發散，從而提高長期穩定性。將原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀組合使用，可以改善陀螺儀的采樣率和長期穩定性。例如，通過建立基于冷原子陀螺儀和光纖陀螺儀的組合陀螺儀模型及其導航誤差模型，將冷原子干涉陀螺儀和光纖陀螺儀測量得到的轉動數據傳輸到卡爾曼濾波器，解算得到輸出校正數據，在不同的動態條件下，濾波器通過計算兩組轉動角速度數據的協方差，評估其測量精度的變化，對校正量的權重進行修正。在高動態工作環境中，測量精度可能會變差，此時濾波器能夠快速反應，通過降低其修正的權重，使組合陀螺儀始終保持最佳測量數據輸出。通過輸出校正數據對光纖陀螺的輸出數據進行反饋，得到最終的轉動角速度數據。本文分析了校正頻率對組合陀螺儀漂移的影響和組合陀螺儀的導航誤差，結果表明，該組合陀螺儀方案兼顧了冷原子干涉陀螺漂移小和光纖陀螺采樣率高的優點，有效減小了導航位置誤差，原子干涉陀螺儀監控導航技術有望用于高精度慣性導航系統[39]。

3 原子干涉陀螺儀研究進展

原子干涉陀螺儀是利用原子干涉和薩格納克效應來測量轉動的儀器，從前面的分析可以看出，原子干涉陀螺儀在廣義相對論檢驗等精密測量物理研究和長航時高精度慣性導航定位應用技術方面均有著重要的應用前景。本文從以下幾個方面來介紹精密測量院在原子干涉陀螺儀方面的研究工作。

3.1 冷原子干涉儀

精密測量院是國內率先開展冷原子干涉儀的研究單位。2003年，開始搭建冷原子干涉儀裝置，先后實現了原子的激光冷卻、原子的橫向推載、原子的受激拉曼躍遷、原子的相干操作、原子干涉和熒光探測等，并實現了冷原子干涉儀[4]。

冷原子干涉儀的實驗裝置示意圖如圖1所示。首先，為了囚禁和冷卻原子，需要將冷卻光和回泵光同時作用在原子上，采用六束冷卻光和一對反亥姆霍茲線圈將原子氣體囚禁在真空腔體中，從而實現了激光冷卻和囚禁。采用近共振的激光將冷原子從囚禁區域推載，使冷原子團沿著水平方向從左向右飛行，在此過程中，原子被泵浦光抽運到其中的一個基態。然后，采用三對同向傳播的拉曼激光相干操作冷原子，第一個拉曼脈沖使得原子相干分束，將其制備成兩個基態的相干疊加態；經過一段時間的自由演化后，第二個拉曼脈沖使得原子合束，原子布居數在兩個基態之間發生反轉；再經過一段時間的自由演化后，第三個拉曼脈沖使得原子波包相干重組，從而實現原子干涉儀。最后，采用激光誘導熒光的方法對原子布居數進行探測，由于原子保持了很好的相干性，可觀測到原子干涉條紋。

圖1 冷原子干涉儀實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device of cold atom interferometer

在原子干涉儀中要相干地對原子波包分束和合束，并保證原子波包在自由演化過程中保持其相干特性。本文采用三束同向傳播的拉曼激光完成了π/2-π-π/2型原子干涉儀，在實驗中，三對拉曼激光由同一根光纖導引到原子干涉區，并在原子干涉區域采用λ/2波片和偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，PBS)實現了三對拉曼激光脈沖序列，每個PBS與原子干涉窗口之間放置一個λ/4波片，以保證三對拉曼激光均為圓偏振光(σ+,σ+)。由于磁場的分布對受激拉曼過程有著很大的影響，在原子干涉區沿著三對拉曼激光的傳播方向加一個固定的磁場，從而保證了量子化軸的方向；同時，采用三對亥姆霍茲線圈對原子干涉區的剩余磁場進行補償，此時，能夠嚴格定義π/2-π-π/2的拉曼激光脈沖序列。當掃描第三個拉曼激光脈沖的相位時，得到的拉曼型原子干涉條紋如圖2所示，得到了兩個周期的冷原子干涉條紋，與拉曼型原子干涉條紋的對比度達到了37.5%[4]。

圖2 觀察到的冷原子干涉條紋Fig.2 Interference fringe observed in cold atom interferometer

3.2 薩格納克效應

在此基礎上，采用相向傳播的拉曼激光相干操作原子，從圖3(a)可以看出[11]，較同向傳播的拉曼激光，原子將感受到相向傳播的拉曼激光雙光子的反沖動量，并能建立更大面積的原子干涉環路。用相向傳播的拉曼激光相干操作原子,線偏振的拉曼激光沿著與原子運動軌跡垂直的方向傳播,拉曼激光含有兩個頻率ω0和ω0+δ,經過一個λ/4波片后,拉曼光沿原路返回,相向傳播的兩對拉曼激光在空間上嚴格重合,此時兩對對射拉曼激光的偏振相互垂直。由于線偏振的拉曼激光與原子相互作用時雙光子躍遷幾率可忽略,同向傳播的拉曼激光不與原子發生相互作用，此時只有相向傳播的拉曼激光與原子相互作用，實現了相向傳播拉曼激光作用后的雙光子拉曼躍遷和雙光子動量轉移，進而能夠構建原子分束和反射鏡。原子干涉環路的示意圖如圖3(b)所示，考慮到相向傳播拉曼激光與原子相互作用時引起的雙光子反沖動量,利用空間分離的三對對射的拉曼激光，能夠實現原子波包的相干分束、合束和重組，從而實現原子干涉環路，并可觀察原子干涉條紋。

(a)受激拉曼躍遷

(b)原子干涉陀螺儀圖3 受激拉曼躍遷和原子干涉陀螺儀的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of stimulated Raman transitions and atomic interference gyroscope

為了驗證原子干涉陀螺效應，將裝置放置在高精度轉動測量平臺上，觀察轉動引起的干涉條紋的相位移動。由于薩格納克效應的存在，當轉臺的轉動速度改變時，將引起原子干涉條紋的相位移動，在不同的轉速下，觀察到的原子干涉條紋如圖4所示。圖4中，綠色三角形為當轉臺靜止時測量得到的原子干涉條紋，黑色方塊為當轉臺以0.05(°)/s的轉速正轉時觀察到的原子干涉條紋，紅色圓點為當轉臺以-0.05(°)/s的轉速反轉時觀察到的原子干涉條紋，三條原子干涉條紋分別用正弦曲線擬合。從圖4可以看出，在實驗中觀察到了轉動引起的原子干涉條紋的相位移動，且其與轉動平臺的轉動角速度是線性依賴關系，實驗結果與理論分析相當吻合，從而在實驗上證實了原子干涉環路中的薩格納克效應，為進一步構建原子干涉陀螺儀提供了理論和實驗依據。

圖4 不同轉速下的冷原子干涉條紋Fig.4 Cold atomic interference fringes observed at different rotation rates

3.3 地球自轉速度測量

在前面研究的基礎上，搭建了一套雙環路冷原子干涉陀螺儀，實現了冷原子干涉陀螺儀及其對地球自轉速度的測量[12]。冷原子干涉陀螺儀的示意圖如圖5所示，原子被分別囚禁在兩個三維磁光阱中，采用移動光學粘膠技術，通過調節囚禁光頻率失諧將冷原子同時對拋，以相反方向沿著相同的拋物線軌跡形成冷原子束；采用光泵技術將原子制備到基態作為初始內態，使用π/2-π-π/2型脈沖的拉曼激光脈沖相干地操作原子，形成雙原子干涉環路，并用激光誘導熒光測量另一個基態的布居數分布。同樣，當掃描第三個拉曼激光脈沖的相位時，可以得到雙原子干涉條紋。在雙原子干涉環路中，轉動信息轉化成原子干涉條紋的相位信息，利用同步差分檢測雙原子干涉條紋，扣除重力引起的相移且共模抑制了激光相位噪聲，通過測量雙原子干涉條紋的差分相位變化能夠提取轉動信息，從而實現原子干涉陀螺儀。

圖5 雙環路冷原子干涉陀螺儀實驗裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of dual-loop cold atomic interference gyroscope

整個裝置放置在轉動平臺和穩定平臺上。由于原子干涉陀螺儀的靈敏度正比于自由演化時間的平方，延長原子自由演化時間可增大原子干涉環路面積。如圖5所示，采用分離拉曼激光相干操作原子，在空間上用PBS和λ/2波片將一束拉曼激光分成三束拉曼激光，然后沿著與重力相反的方向傳播，通過λ/4波片和反射鏡后，形成了三對相向傳播的拉曼激光，用拉曼激光脈沖共模地相干操作兩束相向傳播的冷原子，同時調制第三個拉曼激光脈沖的相位，可以觀察到雙原子干涉條紋，如圖6所示，原子干涉條紋的對比度分別為18%和20%。

(a)

(b)圖6 雙環路冷原子干涉條紋Fig.6 Cold atomic interference fringes observed in dual-loop interferometers

從上面的研究可以看出，在實驗中，通過采用雙原子干涉環路，重力加速度和共模相位噪聲能夠被很好地消除，為轉動速度的精確測量奠定了基礎。在此基礎上，將原子干涉陀螺儀裝置放置在轉動測試平臺上，如圖5所示。隨著轉動平臺在水平面轉動時，地球自轉在原子干涉環路上的投影將發生改變，可以通過轉動平臺的方位角來測量地球自轉的變化，測試結果如圖7中黑點所示。橫坐標為轉動平臺的位置，縱坐標為雙環路原子干涉條紋的相位差，可以看出，相位的變化與轉動平臺的角度成正弦關系，符合地球自轉速度在原子干涉環路方向的投影關系，通過正弦擬合測得的地球自轉速度與國際地球自轉服務(International Earth Rotation Service，IERS)給出的數據一致。多次測量結果的殘余誤差如圖7中紅色三角形所示，轉動測量誤差小于0.5%[12]。在此基礎上，近期設計了一套平拋的雙環路原子干涉陀螺儀，原子干涉環路的面積提高到了1.2cm2，使得新裝置的標度因子提高了6倍，研制出的高精度原子干涉陀螺儀的靈敏度為1.5×10-7(rad/s)/Hz1/2，分辨率為9.5×10-10(rad/s)@20000s[15]。

圖7 不同方位下的冷原子干涉條紋的相移Fig.7 Phase shift of cold atomic interference fringes observed at different azimuth angles

3.4 原子束流干涉陀螺儀

在此基礎上，提出了采用大型原子束流干涉陀螺儀檢驗廣義相對論效應的構想[19]。物理系統裝置如圖8所示。左右對稱的兩個原子爐產生銣原子束流，采用毛細管結構增加原子數目，對射的原子束通過二維冷卻區域時進行橫向冷卻；在原子初態制備區域，泵浦光將原子制備到其中一個基態；當原子進入原子干涉區域時，三對大尺度空間分離的對射拉曼激光(π/2-π-π/2)同步相干操作兩路原子束的內態和外態；當原子布居數發生相干轉移時，原子獲得光子動量，實現原子波包的相干分束、合束和重組，從而構建雙原子干涉環路；在原子信號探測區域，采用兩個快速響應的光電探測器觀察處于不同內態的原子數目，從而得到原子干涉條紋。在原子干涉區域，采用三套坡莫合金磁場屏蔽系統抑制地磁場和雜散磁場的影響，并采用三對亥姆霍茲線圈對剩余磁場進行補償，在磁場屏蔽系統內沿著拉曼激光束傳播的方向施加均勻偏置磁場，以保證量子化軸的方向。

圖8 大型原子干涉陀螺儀裝置的原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of large-scale atomic interference gyroscope

采用原子束流方案研制原子干涉陀螺儀裝置，主要考慮以下兩個方面：其一是由于原子干涉條紋的相位噪聲與參與干涉的原子數目相關，原子干涉陀螺儀的靈敏度通常正比于1/N1/2,而研制高精度原子干涉陀螺儀需要更多的原子數目。與用磁光阱(Magneto-Optical Trap, MOT)技術的冷原子方案相比，采用原子束流技術的方案，可將原子數目提高106倍以上，在標度因子相同的情況下，理論上原子干涉陀螺儀的靈敏度將會提高3個數量級以上。其二是原子在重力場中軌跡的變化和振動噪聲的影響，原子束流方案更適合大型原子干涉陀螺儀研制。因此，研制大型原子束流干涉陀螺儀(長度大于20m)，通過監測系統實現原子干涉陀螺儀轉動信號的提取、長期監測和數據處理等，實現地球自轉速度的精確測量，為后續實現廣義相對論效應檢驗奠定了基礎。相較而言，冷原子方案更適合小型慣性導航技術應用。

作為地面大型激光陀螺儀和原子干涉陀螺儀檢驗廣義相對論的雛形，目前，原子干涉陀螺儀(綠色三角形：斯坦福大學[17-18]；藍色圓點：巴黎天文臺[1,13-14]；紅色五角星：精密測量院[11-12,15])和大型激光陀螺儀(黑色方框：LG-UG2，新西蘭[30]；LG-G Ring，德國[27]；LG-GINGERion，意大利[26]；LG-PRC，華中科技大學[31])的分辨率指標隨時間的關系如圖9所示。可以看出，在大型激光陀螺儀研制過程中，盡管不同的研究方案還在持續探索，但是面臨噪聲干擾等技術瓶頸，近年來尚未有較大的突破。也可以看出，盡管原子干涉陀螺儀與大型激光陀螺儀尚有差距，但是原子干涉陀螺儀仍有很大的潛力可挖掘。高精度原子干涉陀螺儀裝置的研制，可用于地球自轉速度的高精度測量，為原子干涉陀螺儀廣義相對論檢驗儲備技術，也可用于地球極移、統一時間(UT1)和慣性陀螺標定等應用。

圖9 原子干涉陀螺儀與激光陀螺儀指標對比Fig.9 Performance comparison between atomic interference gyroscope and laser gyroscope

4 總結與展望

原子干涉陀螺儀具有巨大的發展潛力，未來有望在精密測量和應用技術方面取得重要的科技成果。歐美發達國家在持續大力發展高精度原子干涉陀螺儀，我們國家也非常重視原子干涉陀螺儀的發展，且正處于關鍵時期，把握時機非常關鍵。隨著我國科技實力的提升以及實驗技術方面經驗的積累，我們在原子干涉陀螺技術方面的研究水平已有大幅度提升。推動原子干涉陀螺儀技術的發展，使其能夠盡快應用在水下及空間探測領域有著重要意義。從原子干涉陀螺儀的發展來看，冷原子干涉陀螺儀已經取得了較大的進展，主要包括三脈沖冷原子干涉陀螺儀和四脈沖冷原子干涉陀螺儀。從應用角度考慮，三脈沖原子干涉陀螺儀的應用場景更廣，且更為普適，但難度較大；四脈沖原子干涉陀螺儀的環路面積與重力加速度相關聯，在空間微重力環境或導航應用領域將會受到很大的限制，使得應用場景受限；原子束流干涉陀螺儀相對發展較緩，主要受限于原子束流的橫向溫度很難實現較好的亞多普勒冷卻，成為原子束流干涉陀螺儀的制約因素。

未來需要從以下幾方面開展原子干涉陀螺儀研究，其一是瞄準精密測量科學研究，進一步提高原子干涉陀螺儀的精度。目前，制約原子干涉技術精密測量精度的主要因素是原子干涉環路面積較小，需通過進一步理論與實驗探索，提升原子干涉陀螺儀的測量精度。其二是瞄準慣性導航應用技術，開展原子干涉陀螺儀工程技術攻關。制約原子干涉陀螺儀技術應用的主要因素是目前集成度較低，體積較大，難以在中、小型載體上應用。其三是原子干涉陀螺儀的測量帶寬較小，制約其應用范圍。針對以上應用困難，一方面，可通過原子快速裝載技術和連續交替操作的方案來提高原子干涉陀螺儀的測量精度和測量帶寬，擴大應用范圍；另一方面，可通過對關鍵部組件的小型化研究，減小整機體積，加快工程應用進度。