一種適用於雙原子干涉儀陀螺儀的高穩定性模組化雷射系統

核心概念

本文提出了一種基於光纖雷射和全石英連接光學模組的緊湊型高穩定性雷射系統，用於雙原子干涉儀陀螺儀，並通過實驗驗證了其在不同溫度下的穩定性和性能。

摘要

研究論文摘要

書目信息：

Sun, C., Lu, S., Jiang, M., Yao, Z., Li, S., Chen, X., ... & Zhan, M. (2024). Highly stable modular-assembled laser system for a dual-atom-interferometer gyroscope. Optics Express, 32(26), 48698-48709.

研究目標：

本研究旨在開發一種適用於雙原子干涉儀陀螺儀的緊湊型高穩定性雷射系統，以解決原子干涉儀陀螺儀在實驗室外環境運作時面臨的雷射系統不穩定問題。

方法：

研究人員採用光纖雷射和全石英連接光學模組設計了一種緊湊型雷射系統。他們將毫米級光學元件和器件安裝在厘米級石英基板上，並使用楔形毫米級石英支架進行固定，以實現高集成度和熱穩定性。為了最大程度地減少溫度影響，主動器件和被動元件被分別組裝到獨立的模組中。

主要發現：

• 在室溫下，被動模組的雷射功率穩定性和偏振消光比分別優於 1:1000 和 38 dB，而主動模組的相應值分別為 1:1000 和 30 dB。
• 當溫度以齒形波的形式在 5°C 至 50°C 之間變化時，被動模組的相對功率波動和偏振消光比分別小於 3.2% 和大於 25.3 dB，而主動模組的相應值分別為 9.4% 和 19.8 dB。
• 鎖定到調製轉移光譜的主二極體雷射在超過 5 小時內表現出低於 91 kHz 的頻率波動。
• 使用光學鎖相環路鎖定到主二極體雷射的兩個輔助二極體雷射，其拉曼雷射的相位噪聲優於 -90 dBc/Hz @ 1 kHz，主雷射和第一輔助二極體雷射的相位噪聲達到 -100 dBc/Hz @ 1 kHz。

主要結論：

該雷射系統在不同溫度下表現出良好的穩定性和性能，適用於雙原子干涉儀陀螺儀，並有望促進原子干涉儀陀螺儀在野外的應用。

意義：

這項研究為開發適用於野外應用的高精度原子干涉儀陀螺儀提供了新的思路和技術途徑。

局限性和未來研究方向：

未來的研究可以進一步優化主動模組的設計，以提高其在更寬溫度範圍內的穩定性。

統計資料

在室溫下，被動模組的雷射功率穩定性優於 1:1000。
在室溫下，被動模組的偏振消光比大於 38 dB。
在室溫下，主動模組的雷射功率穩定性優於 1:1000。
在室溫下，主動模組的偏振消光比大於 30 dB。
當溫度在 5°C 至 50°C 之間變化時，被動模組的相對功率波動小於 3.2%。
當溫度在 5°C 至 50°C 之間變化時，被動模組的偏振消光比大於 25.3 dB。
當溫度在 5°C 至 50°C 之間變化時，主動模組的相對功率波動為 9.4%。
當溫度在 5°C 至 50°C 之間變化時，主動模組的偏振消光比為 19.8 dB。
主二極體雷射的頻率波動低於 91 kHz。
拉曼雷射的相位噪聲優於 -90 dBc/Hz @ 1 kHz。
主雷射和第一輔助二極體雷射的相位噪聲達到 -100 dBc/Hz @ 1 kHz。

引述

"Because of the proposed modular design and temperature adaptability of this laser system, it can be utilized in field applications of atom-interferometer sensors."
"This modular laser system is expected to facilitate outfield application of atom-interferometer gyroscopes and can be adapted to other atom-interferometer-based sensors."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Highly stable modular-assembled laser system for a dual-atom-interferometer gyroscope

by Chuan Sun, S... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12218.pdf

深入探究

這項研究提出的雷射系統設計理念是否可以應用於其他類型的原子干涉儀？

是的，這項研究提出的雷射系統設計理念可以應用於其他類型的原子干涉儀。

模組化設計: 該系統採用模組化設計，可以根據不同類型原子干涉儀的需求靈活調整和擴展。例如，可以根據所需的雷射功率、頻率和偏振狀態，選擇不同的光纖雷射器、光學模組和光纖元件進行組合。
高穩定性: 該系統採用全石英膠合光學模組和光纖雷射器，具有較高的溫度穩定性和抗振性，可以滿足不同類型原子干涉儀對雷射系統穩定性的要求。
高精度: 該系統中的主要二極體雷射器採用調制轉移光譜法鎖定，其他雷射器則採用光學鎖相環路鎖定，可以實現高精度的頻率和相位控制，滿足原子干涉儀對雷射相干性的要求。
總之，該雷射系統設計理念具有良好的通用性和可擴展性，可以為其他類型的原子干涉儀，例如原子重力儀、原子重力梯度儀等，提供高性能、高可靠性的雷射光源。

如果將該雷射系統應用於實際的導航系統中，還需要克服哪些技術挑戰？

雖然該研究提出的雷射系統在實驗室環境下展現出優異的性能，但要將其應用於實際的導航系統中，還需要克服以下技術挑戰：

進一步小型化和集成化: 導航系統對體積和重量有嚴格限制，需要進一步縮小雷射系統的尺寸和重量，並提高其集成度。例如，可以採用更緊湊的光學設計、更小型的光學元件和更精密的加工工藝。
提高長期穩定性和可靠性: 導航系統需要長時間穩定運行，因此需要進一步提高雷射系統的長期穩定性和可靠性。例如，可以採用更穩定的雷射器、更可靠的鎖定技術和更完善的環境控制措施。
降低成本和功耗: 為推廣應用，需要降低雷射系統的製造成本和功耗。例如，可以採用更經濟的光學元件、更高效的雷射器和更低功耗的電子元件。
抗干擾能力: 實際環境中存在各種干擾源，例如振動、磁場和溫度變化等，需要提高雷射系統的抗干擾能力。例如，可以採用隔振平台、磁屏蔽和溫度控制等措施。
總之，將該雷射系統應用於實際的導航系統中還需要進行大量的工程化和優化工作，以滿足導航系統對性能、可靠性、成本和功耗等方面的要求。

原子干涉儀技術的發展將如何推動精密測量領域的進步？

原子干涉儀技術作為一種高精度測量技術，其發展將為精密測量領域帶來革命性的進步：

更高精度的基本物理常數測量: 原子干涉儀可以更精確地測量重力加速度、精細結構常數等基本物理常數，從而驗證現有物理理論，甚至發現新的物理現象。
更靈敏的慣性導航: 基於原子干涉儀的慣性導航系統具有更高的精度和靈敏度，可以應用於航空航天、自動駕駛、地下勘探等領域，提供更精確的位置、速度和姿態信息。
更精密的重力場測繪: 原子干涉儀可以繪製出更精密的重力場圖，用於資源勘探、地震預測、地球物理研究等領域。
更深入的基礎物理研究: 原子干涉儀可以用於探測引力波、暗物質、暗能量等基礎物理現象，幫助人類更深入地理解宇宙的起源和演化。
總之，原子干涉儀技術的發展將推動精密測量領域不斷突破，為科學研究、工程應用和人類社會發展帶來巨大的推動力。