冷原子干涉儀發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

陳福勝

（華中光電技術(shù)研究所，武漢430074）

0 引言

干涉是物理學(xué)中最重要的概念之一，是所有波動(dòng)理論的標(biāo)志性特征［1］。從同一源發(fā)出的波在經(jīng)歷不同時(shí)空路徑后由于感受到的作用量不一樣，在重合時(shí)會(huì)產(chǎn)生分布呈周期性變化的現(xiàn)象即為干涉。從第一個(gè)確認(rèn)光波動(dòng)性的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)［1-2］，到Michelson-Morley干涉實(shí)驗(yàn)否定 “以太”的存在［1-2］， 再到分別以電子［3］、 中子［4］、 原子［5-8］甚至C60等大分子［9］為干涉物質(zhì)的物質(zhì)波干涉儀的突破性實(shí)現(xiàn)，干涉不斷地為人們帶來認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的新視角，加深了人們對(duì)自然規(guī)律的理解［10-11］。同時(shí)，作為一種技術(shù)手段，干涉還可以提取物質(zhì)所經(jīng)歷時(shí)空路徑上的信息，被廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)的不同領(lǐng)域［1-2，10-20］。

現(xiàn)代原子物理學(xué)提出的冷原子干涉儀［10，12-14］就是利用原子的物質(zhì)波特性，通過光與原子的相互作用操控原子的物質(zhì)波經(jīng)過不同時(shí)空路徑后匯合發(fā)生干涉的物理裝置。由于冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性，冷原子干涉儀可以達(dá)到很高的靈敏度［10，12-14］。 理論計(jì)算表明，在相同的幾何條件下，由于原子的質(zhì)量較光子運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大，原子干涉儀的精度比光學(xué)干涉儀高了10個(gè)量級(jí)以上。即使考慮到光學(xué)干涉儀的環(huán)路面積一般較原子干涉儀高4～5個(gè)量級(jí)，相位靈敏度高1～2個(gè)量級(jí)，原子干涉儀的精度也較光學(xué)干涉儀高3～4個(gè)量級(jí)。此外，由于原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和能級(jí)，并且具有質(zhì)量，其干涉現(xiàn)象還受到能級(jí)躍遷、慣性及引力的影響，這使原子干涉呈現(xiàn)出遠(yuǎn)比光子或電子與中子干涉豐富的內(nèi)容，目前被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理探索、物質(zhì)材料特性研究以及慣性測(cè)量領(lǐng)域。

經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前冷原子干涉儀正在向高精度、小型化、工程化方向發(fā)展。本文首先介紹了原子干涉儀的基本原理，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了其在重力儀和陀螺上的應(yīng)用。

1 原子干涉儀原理

原子干涉的理念可以追溯到量子力學(xué)的誕生時(shí)期。1923年，de Broglie提出有質(zhì)量的粒子也可以具有波動(dòng)性質(zhì)，其波長由粒子的動(dòng)量決定［2］，為原子的干涉奠定了基礎(chǔ)。第一個(gè)原子干涉的示范實(shí)驗(yàn)是1950年Ramsey［21］在分子束共振中引入分離場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的，證實(shí)了原子干涉的可能性。1988年，Pritchard等［22］用激光實(shí)現(xiàn)了原子干涉儀的分束儀，演示了原子束從駐波場(chǎng)的Bragg散射。1991年，四個(gè)小組用不同的方法實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)原子干涉儀：原子的楊氏雙縫干涉儀［5］、使用三個(gè)納米材料光柵的Mach-Zehnder干涉儀［6］、使用四束行波測(cè)量Sagnac效應(yīng)的 Ramsey-Bordé干涉儀［7］和用三束激光實(shí)現(xiàn)的雙光子受激Raman躍遷測(cè)量重力的Mach-Zehnder干涉儀［8］。

要實(shí)現(xiàn)原子干涉，必須解決原子的分束、反射和合束。目前，原子干涉儀主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑。一種是跟光學(xué)干涉儀相似，利用原子在周期性光柵中的衍射實(shí)現(xiàn)原子的分束、反射和合束。無論是通過納米光柵或周期性光場(chǎng)，原子動(dòng)量態(tài)發(fā)生改變，最終合束后發(fā)生外態(tài)干涉。第二種途徑則利用原子的內(nèi)態(tài)進(jìn)行干涉，在這種途徑中，原子的空間分離通過原子內(nèi)態(tài)發(fā)生改變時(shí)吸收或輻射電磁場(chǎng)的動(dòng)量反沖實(shí)現(xiàn)。也就是說，原子的內(nèi)態(tài)和外態(tài)自由度是耦合在一起同時(shí)發(fā)生變化的，即所謂的 “自旋-軌道耦合” （Spin-Orbit Coupling）［23］。

由于原子在納米光柵中通過的效率較低，且光柵的刻蝕要求嚴(yán)苛，基于內(nèi)態(tài)干涉的原子干涉儀一經(jīng)實(shí)驗(yàn)演示即得到極大的應(yīng)用和發(fā)展，目前已成為原子干涉儀的主流技術(shù)途徑。本文主要介紹基于這一技術(shù)途徑的原子干涉儀，外態(tài)干涉儀的原理和發(fā)展見文獻(xiàn)［10］。近幾年來，由于精度提升的迫切需要，基于超冷原子的外態(tài)干涉儀又逐漸成為研究的熱點(diǎn)［13］。

1.1 基本原理

基于原子內(nèi)態(tài)干涉的原子干涉儀的基本出發(fā)點(diǎn)是光可用于探測(cè)原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于Doppler效應(yīng)，原子運(yùn)動(dòng)速度的改變將引起與之發(fā)生相互作用的光共振頻率的變化?？紤]一個(gè)重力場(chǎng)中自由下落的二能級(jí)原子和一個(gè)豎直方向傳播的光場(chǎng)的相互作用，由于原子做加速運(yùn)動(dòng)，光的頻率必須以一定的變化率啁啾，才能始終和原子保持共振相互作用。當(dāng)二能級(jí)原子的躍遷線寬遠(yuǎn)小于下落過程中的Doppler頻移以及與光場(chǎng)相互作用的Rabi頻率時(shí)，啁啾率就是一個(gè)很好的測(cè)量重力加速度值的物理量：加速度值的一點(diǎn)小小的改變就會(huì)造成光和原子不能嚴(yán)格共振，從而影響二能級(jí)原子數(shù)的互相轉(zhuǎn)化。通過測(cè)量原子在激發(fā)態(tài)的布居數(shù)，也就提供了一種通過啁啾率測(cè)量加速度的方法。

接下來，大概估算下這種方法可能達(dá)到的精度?？紤]一個(gè)可見光波段的原子躍遷，光和原子相互作用的時(shí)間為1s。這種情況下，由于重力加速度導(dǎo)致的Doppler頻移大約為10MHz，而躍遷線寬受相互作用時(shí)間限制為1Hz。因此，10-7量級(jí)的重力加速度的變化即可導(dǎo)致光和原子相互作用不共振，從而影響發(fā)生躍遷的原子數(shù)。此外，通過多個(gè)原子同時(shí)下落的方式可以更精確地確定共振頻率，提升該方法的精度。如果使用1×108個(gè)原子同時(shí)測(cè)量，在散粒噪聲極限下，上述測(cè)量的精度可提升至10-11量級(jí)。

上述方法有兩個(gè)致命的問題。第一，相互作用跟原子的初始速度密切相關(guān)。這就導(dǎo)致即使使用激光冷卻過的冷原子團(tuán)，真正對(duì)信號(hào)有貢獻(xiàn)的原子只占很小的比例，從而限制了信號(hào)的信噪比。例如，利用激光冷卻過的Cs原子，即便其溫度達(dá)到1μK，也只有大約0.01%的原子對(duì)最終的信號(hào)有貢獻(xiàn)。第二，需要光和原子一直保持相互作用，這是精密測(cè)量所忌諱的。一般來說，精密測(cè)量總是希望在一個(gè)無外界擾動(dòng)的情況下進(jìn)行。

上述兩個(gè)問題可以通過在原子與光場(chǎng)脈沖式相互作用中間插入一段無相互作用時(shí)間來解決，這個(gè)方案是Ramsey分離場(chǎng)方法［21］的自然推廣。在插入的無相互作用時(shí)間里，原子不受外界的擾動(dòng)。在這種方案中，經(jīng)過第一個(gè)驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)脈沖，原子被制備到兩個(gè)內(nèi)態(tài)的疊加態(tài)上。如果在經(jīng)過中間自由演化后，原子的疊加態(tài)與第二個(gè)脈沖同相，原子就會(huì)全部轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)完成躍遷。但是由于光場(chǎng)的反沖，原子在經(jīng)過第一個(gè)脈沖后不同內(nèi)態(tài)的動(dòng)量也不一樣，在自由演化中會(huì)發(fā)生空間分離。為了完成干涉，兩個(gè)內(nèi)態(tài)的原子在最后一個(gè)脈沖時(shí)必須在空間重合。因此，當(dāng)必須考慮光場(chǎng)的動(dòng)量反沖時(shí)，需要對(duì)Ramsey分離場(chǎng)法做一點(diǎn)改進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)原子的干涉。

通過上面討論可以看出，為了實(shí)現(xiàn)原子在最后一個(gè)脈沖時(shí)空間位置重合，必須引入一個(gè)能使原子反向的脈沖（序列），也就是光學(xué)干涉儀中的反射鏡。在原子干涉儀中，反射鏡一般通過π脈沖的方式實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)π脈沖的作用下，原子兩個(gè)內(nèi)態(tài)發(fā)生交換，由于自旋-軌道耦合，動(dòng)量也同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)。如圖1所示，結(jié)合前面描述的分束和合束，一個(gè)典型原子干涉儀π／2-π-π／2脈沖序列就這樣被構(gòu)建出來。圖1中，實(shí)線為原子在沒有重力作用時(shí)的軌跡，虛線為原子在重力場(chǎng)作用下的原子軌跡。

1.2 雙光子受激Raman躍遷

考慮到原子在探測(cè)期間的相干性和避免磁場(chǎng)的干擾，一般選用堿金屬原子基態(tài)能級(jí)上的微波鐘躍遷I＋1／2，mF＝0〉作為二能級(jí)系統(tǒng)。為解決射頻單光子躍遷引起的Doppler頻移過小的問題，Chu和Kasevich在1991年提出用經(jīng)由中間能級(jí)的雙光子受激Raman躍遷來驅(qū)動(dòng)堿金屬原子在基態(tài)中的躍遷，如圖2所示［8，24］。通過對(duì)射雙光子受激Raman躍遷，原子不僅完成了內(nèi)態(tài)之間的躍遷，同時(shí)還受到光場(chǎng)的反沖，反沖動(dòng)量?keff＝?（k1-k2）， 其大小為?keff＝?（k1＋k2）≈2?k1，2， 為單光子反沖的2倍，有效解決了射頻單光子躍遷引起的Doppler頻移過小的問題。不僅如此，通過這種方案，還可以降低對(duì)激光器頻率（相位）穩(wěn)定性的要求。如果是直接二能級(jí)躍遷，為了保證測(cè)量精度，必須要求激光的頻率在整個(gè)干涉期間與原子躍遷保持同相。而在雙光子受激Raman躍遷中，僅要求兩束激光的頻差在干涉期間與原子的射頻躍遷保持同相即可。后者可通過拍頻鎖相等多種方式實(shí)現(xiàn)［25］，大大降低了實(shí)驗(yàn)難度。

圖1 典型三脈沖March-Zehnder原子干涉儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of a three-pulse March-Zehnder atom interferometer

圖2 雙光子受激Raman躍遷能級(jí)示意圖Fig.2 Schematic diagram of two-photon stimulated Raman transition

1.3 原子干涉相位分析

對(duì)整個(gè)干涉過程分析可知［10，12-14］， 經(jīng)過三個(gè)脈沖后，原子處于態(tài)的幾率為

式（1）中，A為干涉條紋的偏置，C為干涉條紋幅度，ΦA(chǔ)I為原子干涉儀的相位。ΦA(chǔ)I為圖1中上下兩條路徑上積累的相位差，一般可以分成三部分

式（2）中，Φprop為原子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)引起的相位變化，Φlight為與Raman光的相互作用，而Φsep則為原子波包初始空間位置不重合引起的相位差。由于外場(chǎng)的影響，從同一個(gè)位置出發(fā)的原子經(jīng)過兩條路徑后不一定重合。為了使它們最后重合干涉，需要在初始時(shí)有一個(gè)位置差。

對(duì)原子在經(jīng)典軌跡上的路徑積分計(jì)算可以得到Φprop，對(duì)后面討論的重力儀和陀螺來說，Φprop＝0。此外，原子波包初始空間位置不重合引起的相位差Φsep一般來說是小量， 可以忽略不計(jì)， 而Φlight可以通過逐步分析干涉儀的每一個(gè)過程得到。初始態(tài)的原子經(jīng)過第一個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)分束時(shí)，原子有一半的幾率繼續(xù)待在初態(tài)，有一半的幾率發(fā)生躍遷而待在激發(fā)態(tài)。在激發(fā)態(tài)的原子同時(shí)獲得激光的相位φ1，形成一個(gè)相干疊加態(tài)；當(dāng)原子與第二個(gè)光脈沖作用時(shí)，原子正好感受到一個(gè)π的躍遷，原子布居數(shù)發(fā)生交換的同時(shí)均獲得激光的相位φ2；當(dāng)原子與第三個(gè)光脈沖作用時(shí)，初態(tài)的原子有一半的幾率繼續(xù)待在初態(tài)，有一半的幾率發(fā)生躍遷而待在激發(fā)態(tài)；同樣，激發(fā)態(tài)的原子有一半的幾率繼續(xù)待在激發(fā)態(tài)，有一半的幾率發(fā)生躍遷而待在初態(tài)，它們均獲得激光的相位φ3。因此，原子經(jīng)過三個(gè)Raman脈沖作用后，原子內(nèi)態(tài)為初態(tài)和激發(fā)態(tài)的相干疊加態(tài)，原子在初態(tài)或激發(fā)態(tài)的幾率為

從式（3）可以看出，Raman光的相位參與到原子內(nèi)態(tài)的布居數(shù)變化上。當(dāng)掃描任意一個(gè)Raman光相位時(shí)，可以得到原子干涉條紋。雖然式（3）看起來與經(jīng)典的測(cè)量加速度沒有什么區(qū)別，都是通過測(cè)量物質(zhì)經(jīng)過一段時(shí)間后運(yùn)動(dòng)的距離來計(jì)算其運(yùn)動(dòng)信息，但還是要注意到，原子干涉儀的基本出發(fā)點(diǎn)是Doppler效應(yīng)，這里相位的變化是由頻率變化引起的。

對(duì)光和原子相互作用時(shí)的相位分析可知［10，12-14］， 當(dāng)外場(chǎng)是重力場(chǎng)、 旋轉(zhuǎn)場(chǎng)或二者之和時(shí)，原子干涉相位可以表示為

因此，當(dāng)初始速度與激光傳播方向都豎直向下時(shí)，可以直接測(cè)量重力加速度，構(gòu)成原子重力儀［26］；若要測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度，可以通過兩個(gè)初始速度相反的原子干涉儀組合進(jìn)行［27］。

2 原子干涉儀應(yīng)用

根據(jù)上述原理，原子干涉儀的干涉相位跟原子的加速度和角速度相關(guān)，可以用于測(cè)量原子的慣性信息。因其理論精度較光學(xué)干涉儀高3～4個(gè)量級(jí)， 在重力儀［18，26，28-36］、 陀螺［27，37-40］等慣 性測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過兩個(gè)重力儀比較，還可以測(cè)量重力梯度［41］。由于通過共模方式消除許多噪聲的影響，原子干涉儀也是一種重要的重力梯度測(cè)量儀器。此外，在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，原子干涉儀也被廣泛的應(yīng)用于（弱）等效原理驗(yàn)證［20，42］、Newton 引力常數(shù)測(cè)量［19］以及引力波探測(cè)［43-44］等領(lǐng)域。

這一章節(jié)將介紹冷原子干涉儀在重力儀和陀螺上的應(yīng)用，重點(diǎn)放在原子重力儀的發(fā)展歷程上。由于重力儀已經(jīng)出現(xiàn)工程化商業(yè)產(chǎn)品，其發(fā)展趨勢(shì)是值得重點(diǎn)關(guān)注的。

2.1 重力儀

早期原子重力儀處于技術(shù)探索階段，研究工作在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開展。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得體積和質(zhì)量都非常大，因此只能用于室內(nèi)重力的監(jiān)測(cè)和絕對(duì)重力的標(biāo)定。1992年，美國Stanford大學(xué)的Chu小組［26］研制了第一臺(tái)原子噴泉式重力儀。1999年，該小組的Cs冷原子重力儀靈敏度達(dá)1×10-8g·Hz-1／2， 精度達(dá) 3×10-9g［28］， 獲得接近當(dāng)時(shí)重力測(cè)量最高精度結(jié)果。

第一臺(tái)原子重力儀實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)龐大，且系統(tǒng)非常復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)原子重力儀在室外實(shí)地測(cè)量，2010年后眾多實(shí)驗(yàn)室開始在原子重力儀的工程化、減小體積和提升系統(tǒng)穩(wěn)定性上著力研究，目前已開展了重力儀的搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)。

2013 年， 德國 Humboldt大學(xué) Peters小組［29］的可移動(dòng)原子重力儀GAIN（the Gravimetric Atom Interferometer）的實(shí)物圖如圖3所示，整套系統(tǒng)由兩個(gè)19英寸機(jī)柜和一個(gè)包含超高真空系統(tǒng)的探頭組成。兩個(gè)機(jī)柜分別用于放置激光和光路系統(tǒng)、電子和控制系統(tǒng)，將激光器及光學(xué)器件集成到標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)箱內(nèi)，全部采用模塊化設(shè)計(jì)，不同功能模塊之間采用隔板隔開，減少彼此之間的影響，提高了光路穩(wěn)定性。光學(xué)器件也進(jìn)行了小型化的設(shè)計(jì)，光路的光高只有2cm，并減少可調(diào)節(jié)器件的使用?？梢苿?dòng)原子重力儀的探頭部分固定在鋁型材支架上，可看出采用了原子上拋式的設(shè)計(jì)。干涉區(qū)安裝了磁屏蔽結(jié)構(gòu)，消除了外界磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響。另外，該系統(tǒng)配備了主動(dòng)反饋式的隔振平臺(tái)，用來消除振動(dòng)噪聲的影響。GAIN的重力測(cè)量靈敏度可達(dá) 30μGal·Hz-1／2。

圖3 Peters小組研制的可移動(dòng)重力儀GAINFig.3 Mobile gravimeter GAIN developed by Peters Group

法國巴黎天文臺(tái)LNE-SYRTE實(shí)驗(yàn)室研制的可移動(dòng)原子重力儀［31］如圖4所示，整套系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：光路和電路系統(tǒng)、重力儀探頭，分別固定在兩個(gè)鋁型材框架中，底部配有福馬輪，便于系統(tǒng)的搬運(yùn)和移動(dòng)，外形尺寸在圖中已標(biāo)注出。這套原子重力儀的特點(diǎn)在于探頭部分的設(shè)計(jì)，首先整個(gè)真空腔體都放在圓柱形的磁屏蔽筒中，基本消除了背景磁場(chǎng)對(duì)重力儀測(cè)量的影響。其次，該系統(tǒng)采用了被動(dòng)隔振平臺(tái)和地震儀配合使用的方案，能抑制掉大部分的高頻噪聲，剩下的低頻噪聲由探頭頂部的地震儀采集到，再通過后期數(shù)據(jù)處理將ΔΦ補(bǔ)充到干涉儀相位中去。對(duì)室外測(cè)量來說，地面振動(dòng)是原子重力儀靈敏度的主要噪聲來源，因此通過該設(shè)計(jì)可大大提高重力測(cè)量的靈敏度。該套原子重力儀搬運(yùn)到法國的山洞實(shí)驗(yàn)室（LSBB）進(jìn)行過測(cè)量，在沒有任何隔振的條件下，100s測(cè)量時(shí)間內(nèi)的短期靈敏度可以到達(dá)1μGal。2018年，該小組報(bào)道的原子重力儀采用了BEC制備技術(shù)，不確定度已達(dá)1μGal。

圖4 法國巴黎天文臺(tái)LNE-SYRTE實(shí)驗(yàn)室研制的可移動(dòng)原子重力儀Fig.4 Mobile atom gravimeter developed by LNE-SYRTE

法國巴黎天文臺(tái)LNE-SYRTE實(shí)驗(yàn)室和LP2N合作研制了一套高精度的便攜式絕對(duì)原子重力儀［30］，被稱為 “MiniAtom”。這套方案的精妙之處在于一個(gè)中空角錐的使用［45］，只需要單束激光便可完成原子的冷卻、干涉和探測(cè)過程，大大的簡化了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度。圖5展示了裝置的整體結(jié)構(gòu)并給出了探頭的實(shí)物圖，該探頭的高度只有40cm，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MiniAtom的預(yù)期測(cè)量靈敏度為 10μGal·Hz-1／2，如果這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的話，將會(huì)給原子重力儀帶來廣闊的應(yīng)用空間。

圖5 法國LP2N研制的便攜式絕對(duì)原子重力儀Fig.5 Portable absolute atom gravimeter developed by LP2N

此 外， 英 國 Birmingham 大 學(xué)［32］、 德 國Hannover大學(xué)［33］、 新西蘭 Otago 大學(xué)［34］、 美國 California大學(xué)Berkeley分校［35］等多家單位也在從事冷原子絕對(duì)重力儀的研究，以提高其精度和環(huán)境適應(yīng)性。英國Birmingham大學(xué)已嘗試將芯片MOT用于原子重力儀中［32］，這有助于簡化設(shè)備。目前，該樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)干涉，整機(jī)功耗僅為162W。德國Hannover大學(xué)嘗試將芯片制備BEC技術(shù)［33］應(yīng)用于新研制的QG-1原子重力儀中，其設(shè)計(jì)不確定度可達(dá)亞微伽（＜μGal）量級(jí)水平。 新西蘭 Otago 大學(xué)［34］與美國California大學(xué)Berkeley分校［35］均在探索原子重力儀的新方案，以減小其體積，增加其靈敏度和抗振能力。美國California大學(xué)Berkeley分校負(fù)責(zé)研發(fā)原子重力儀的是Müller團(tuán)隊(duì)，其研發(fā)的基于Raman光的原子重力儀靈敏度可達(dá)37μGal·Hz-1／2， 精度可達(dá) 2μGal。 2019年， 他們開展了該原子重力儀的車載實(shí)驗(yàn)［35］，如圖6所示，外場(chǎng)測(cè)試不確定度可達(dá)0.04mGal。此外，他們還通過將原子囚禁在光晶格中的方法延長干涉時(shí)間達(dá)20s［46］， 從而抑制振動(dòng)的影響。

圖6 Müller團(tuán)隊(duì)原子重力儀外場(chǎng)測(cè)試行車路線圖和設(shè)備照片F(xiàn)ig.6 Road map and equipment photo of atom gravimeter field test developed by Müller Group

近期，原子重力儀研究發(fā)展到動(dòng)態(tài)測(cè)量裝備試制階段。2018年，法國國家航空航天研究中心（ONERA）實(shí)現(xiàn)了在海船平臺(tái)上原子重力儀測(cè)量絕對(duì)重力的實(shí)驗(yàn)［36］，使用的原子重力儀如圖7所示。該原子重力儀在靜態(tài)環(huán)境下的靈敏度為0.8mGal·Hz-1／2，受限于力平衡加速度計(jì)的靈敏度。經(jīng)評(píng)估，測(cè)量 不 確定 度為 0.06mGal（t＝ 39ms）或0.17mGal（t＝20ms）。 ONERA 原子重力儀的海洋重力測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)施了以航速8節(jié)～11節(jié)的直線、環(huán)形航行，航行過程中原子干涉積分時(shí)間選為t＝10ms或t＝20ms， 數(shù)據(jù)輸出率高于 10Hz（t＝ 20ms），測(cè)量結(jié)果的均方根、誤差均優(yōu)于1mGal。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與衛(wèi)星測(cè)高重力模型偏差平均值為1.4mGal，均方差為2.4mGal，符合原子重力儀誤差和衛(wèi)星測(cè)高誤差估計(jì)結(jié)果，比商用海洋重力儀（KSS32M）的精度高了5倍。

圖7 法國ONERA的海上原子重力儀Fig.7 Atom gravimeter installed in a ship for marine measurement developed by ONERA

在各研究單位的工程化研究積累下，目前美國的AOsense公司和法國的Muquans公司已具有成熟的商用原子重力儀產(chǎn)品。AOsense公司生產(chǎn)的原子重力儀只提供給美國軍方使用，所以具體參數(shù)信息未知。Muquans公司的原子重力儀［47］的探頭尺寸高度為70cm，直徑為38cm，激光和控制電路的尺寸為100cm×50cm×70cm，重力測(cè)量靈敏度為50μGal·Hz-1／2， 精度為幾個(gè)微伽（μGal）。

2.2 陀螺

早在1988年，Clauser就通過計(jì)算指出了利用原子干涉測(cè)量角速度的優(yōu)勢(shì)［48］，1991年實(shí)現(xiàn)的原子干涉儀中也觀測(cè)到了陀螺效應(yīng)［7］，然而真正的第一臺(tái)利用原子干涉測(cè)量角速度的原子干涉儀在1997年才實(shí)現(xiàn)［49］。利用熱原子束通過空間分離的激光光場(chǎng)，他們測(cè)量了地球的自轉(zhuǎn)，其精度達(dá)到了 2×10-8rad／s／Hz1／2。 2000 年， 通過兩束熱原子對(duì)射的方式， 精度提高到了 6×10-10rad／s／Hz1／2，達(dá)到了當(dāng)時(shí)陀螺的最高精度［27］。自此，對(duì)原子陀螺的研究慢慢提上了原子物理學(xué)家的日程。

原子干涉陀螺的發(fā)展也經(jīng)歷了原子重力儀類似的歷程。2000年后，法國率先使用冷原子團(tuán)研制原子陀螺。由于冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性，其很快成為原子陀螺的首選。2010年后，原子陀螺的發(fā)展進(jìn)一步加速，正在往小型化、工程化、集成化的道路前進(jìn)。

2014年，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室在Lockheed Martin公司的資助下，研制了新一代高帶寬干涉式原子陀螺［50］，如圖8所示，整個(gè)石英腔體內(nèi)徑尺寸為20mm×30mm×60mm。其最大創(chuàng)新之處是冷原子團(tuán)拋射到對(duì)向的MOT再囚禁，對(duì)拋冷原子團(tuán)的重復(fù)利用，再加上超短的原子干涉時(shí)間，干涉儀帶寬達(dá)60Hz。最終，裝置對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量的靈敏度為1.1μrad／s／Hz1／2， 對(duì) 加 速 度 測(cè) 量 的 靈 敏 度 為0.9μg·Hz-1／2。 但此陀螺的干涉環(huán)路面積只有0.4mm2，限制了其極限精度。

圖8 美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的小型化高帶寬原子陀螺Fig.8 Miniaturized high-bandwidth atom gyroscope developed by Sandia National Laboratory

2016年，法國巴黎天文臺(tái)LNE-SYRTE實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)拋射式四脈沖原子陀螺［38］，消除了從冷原子制備到干涉以及干涉到探測(cè)期間旋轉(zhuǎn)信息丟失的死區(qū)時(shí)間，如圖9所示。在20000s的測(cè)量時(shí)間內(nèi)， 零偏穩(wěn)定性可達(dá) 2×10-4（°）／h。 2019年， 通過優(yōu)化進(jìn)一步將精度提升到了 6×10-5（°）／h，該陀螺已是目前世界上長期穩(wěn)定性最好的冷原子干涉陀螺［39］。

圖9 法國巴黎天文臺(tái)的連續(xù)拋射式無死區(qū)原子陀螺Fig.9 Interleaved gyroscope without deadtime developed by LNE-SYRTE

3 結(jié)論

通過上述原子重力儀和陀螺的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段為2000年以前，為原子物理學(xué)家對(duì)干涉式原子慣性測(cè)量理論和實(shí)驗(yàn)的探索階段，從物理原理與數(shù)學(xué)推導(dǎo)論證了干涉式原子重力儀、陀螺的可行性；第二階段為2000年—2010年，各國原子物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室研制了原子慣性測(cè)量樣機(jī)，以驗(yàn)證干涉式原子慣性測(cè)量裝置的理論精度；第三階段為2010年以后，激光工程師、光學(xué)工程師、電子工程師開始研制可工程化實(shí)現(xiàn)、面向應(yīng)用需求的干涉式原子慣性測(cè)量儀器。

目前，雖然除冷原子重力儀外，其他的慣性傳感技術(shù)還大多處于概念階段，各種技術(shù)路線尚有諸多不確定性，大多處于實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)階段。但美國、法國等少數(shù)幾個(gè)國家逐步解決了冷原子干涉系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和集成問題，正著力于攻克高動(dòng)態(tài)范圍和微小型化等應(yīng)用難題，說明其技術(shù)已進(jìn)入工程實(shí)用化階段。此外，除原子傳感器系統(tǒng)本體部分的微小型化方法和設(shè)計(jì)之外，原子傳感器關(guān)鍵部件及其微小型化設(shè)計(jì)也是他們重要發(fā)展的支撐和解決方案［40］。我國在冷原子干涉式傳感器技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，尤其是對(duì)于微小型化的研究才剛剛開始，理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究經(jīng)驗(yàn)不足。對(duì)于我國而言，加速開展冷原子干涉儀技術(shù)研究對(duì)未來高性能武器和宇航領(lǐng)域慣性技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。關(guān)注目前美、法等國的主要研發(fā)目標(biāo)，瞄準(zhǔn)其未來的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)基于冷原子干涉式傳感器技術(shù)的彎道超車具有重要意義。