基于布洛赫振荡的原子重力仪理论研究

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高精度绝对重力加速度测量对于资源勘探、惯性导航、地球物理学和计量学等多个领域具有重要的意义。原子重力仪是实现高精度绝对重力加速度测量的重要手段,它包括原子干涉型绝对重力仪和布洛赫振荡型绝对重力仪。目前原子干涉型绝对重力仪发展较为成熟,但其中波前畸变效应评估较为困难,而布洛赫振荡型绝对重力仪精度较低,但其具有测量近距离微弱力的优势。本论文主要研究布洛赫振荡型绝对重力仪,在了解其原理的基础上,分析该种原子重力仪的系统误差,特别是波前弯曲效应,以评估该种原子重力仪的发展潜力。本文的主要研究内容和创新点包括以下两个方面。(1)推导了原子在光晶格中的能带结构和重力作用下发生的布洛赫振荡,其振荡频率正比于重力加速度,介绍了基于布洛赫振荡测量重力加速度的原理和国际上的相关实验方案以及进展。在此基础上,受布拉格衍射解释布洛赫振荡的物理图像启发,提出一种基于双光子拉曼受激跃迁的原子振荡方案,该方案也可以用于测量重力加速度,并有利于进行内态标记的探测,为振荡型原子重力仪提供了一种可能的新思路。(2)分析了目前布洛赫振荡型原子重力仪的测量精度限制,参考国际上相关小组布洛赫振荡型原子重力仪的典型实验参数,理论分析了该类型重力仪的系统误差,并重点探索了其它小组之前未考虑的波前弯曲效应,利用数值模拟对其进行了初步评估,认为布洛赫振荡型原子重力仪中波前弯曲效应有可能达到10μGal水平。
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