吳彬 程冰? 付志杰 朱棟 鄔黎明 王凱楠 王河林 王兆英 王肖隆 林強(qiáng)?

1) (浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院, 光學(xué)研究所, 杭州 310023)

2) (浙江大學(xué)物理學(xué)系, 光學(xué)研究所, 杭州 310027)

電光調(diào)制技術(shù)是產(chǎn)生拉曼光的幾種方法之一, 其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易搭建且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng).然而, 這種調(diào)制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生額外的邊帶光, 并影響冷原子干涉絕對(duì)重力儀的測(cè)量精度.本文利用自行研制的可移動(dòng)冷原子重力儀, 研究了邊帶效應(yīng)對(duì)冷原子重力儀測(cè)量精度的影響.詳細(xì)分析了拉曼反射鏡的位置、拉曼脈沖的作用時(shí)刻及其間隔、拉曼光的失諧等一系列參數(shù)與邊帶效應(yīng)之間的關(guān)系, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)對(duì)冷原子重力儀的精度評(píng)估有比較大的影響; 此外, 我們還發(fā)現(xiàn)在有邊帶效應(yīng)的情況下, 原本不影響重力測(cè)量精度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)也會(huì)影響最終的重力測(cè)量結(jié)果.最后, 通過研究拉曼邊帶效應(yīng)與拉曼光失諧之間的關(guān)系, 本文提出一種評(píng)估拉曼邊帶效應(yīng)影響重力儀精度的方法.本文結(jié)果為減小拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)冷原子重力儀測(cè)量精度的影響提供了依據(jù).

1 引 言

冷原子干涉儀在近些年得到飛速發(fā)展.在基礎(chǔ)研究方面, 它可以用于精密測(cè)量基本物理常數(shù)[1?3]、檢驗(yàn)基本物理定律[4?6].在應(yīng)用研究方面, 基于冷原子干涉儀的量子傳感器可以精確測(cè)量重力加速度[7,8]、重力梯度[9,10]、旋轉(zhuǎn)角速度[11,12]、線加速度[13,14]等重要參數(shù), 這些儀器是新一代慣性傳感及導(dǎo)航的重要設(shè)備.為了將這些實(shí)驗(yàn)室的高精度傳感器轉(zhuǎn)化為適合于外場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)備, 儀器的小型化、輕量化、低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性是必然的要求和發(fā)展趨勢(shì).

近年來(lái), 冷原子干涉技術(shù)的成熟度得到快速提升, 一些量子設(shè)備已經(jīng)在電梯上[15]、卡車上[16]、飛機(jī)上[17,18]、輪船上[19]、火箭上[20]、空間站上[21]得到初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 甚至商用化的量子重力儀產(chǎn)品也開始出現(xiàn)[22].然而, 冷原子干涉技術(shù)離真正實(shí)用還有一定距離, 尤其是激光光源有待進(jìn)一步發(fā)展.以最為成熟的冷原子重力儀為例, 目前大多基于三拉曼脈沖干涉儀原理, 利用雙光子受激拉曼脈沖操縱原子物質(zhì)波以實(shí)現(xiàn)分束、偏轉(zhuǎn)、合束以至原子干涉.

目前, 產(chǎn)生拉曼激光的方法主要有三種:光學(xué)鎖相法、聲光調(diào)制法和電光調(diào)制法.光學(xué)鎖相法是利用光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)窄線寬激光器的相位鎖定[7], 它是最早出現(xiàn)且目前應(yīng)用較廣的一項(xiàng)技術(shù); 其優(yōu)點(diǎn)是效率高、不引起其他額外的系統(tǒng)效應(yīng).然而這項(xiàng)技術(shù)需要窄線寬的外腔式半導(dǎo)體激光光源, 不利于外場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用研究.聲光調(diào)制法是利用聲光調(diào)制器的正負(fù)一級(jí)邊帶產(chǎn)生拉曼光[23],具有搭建方便、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn), 缺點(diǎn)是效率低、自由光路傳輸, 大多也不能應(yīng)用于野外和動(dòng)基座測(cè)量.電光調(diào)制法主要是利用光纖電光調(diào)制器的邊帶調(diào)制產(chǎn)生拉曼光[24], 其優(yōu)點(diǎn)是激光系統(tǒng)可以利用光通訊領(lǐng)域的成熟器件搭建[25], 激光方案及光路得以簡(jiǎn)化, 技術(shù)成熟度高、全光纖、效率高、可應(yīng)用于外場(chǎng).目前大多數(shù)移動(dòng)平臺(tái)上的外場(chǎng)測(cè)量[17?19,26]都是利用該方法.然而, 電光調(diào)制法會(huì)產(chǎn)生多余的拉曼激光邊帶, 這些邊帶也能使原子發(fā)生拉曼躍遷, 并由此產(chǎn)生拉曼邊帶效應(yīng), 從而對(duì)冷原子重力儀的絕對(duì)精度產(chǎn)生較大影響[27].近年來(lái), 利用光纖I/Q調(diào)制器產(chǎn)生單邊帶拉曼光的方案開始出現(xiàn)[28],然而該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍顯復(fù)雜, 且邊帶抑制的效果有待進(jìn)一步改善.

本文基于一套自行研制的可移動(dòng)冷原子重力儀, 研究了拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)重力測(cè)量精度的影響,評(píng)估了該效應(yīng)引起的重力測(cè)量偏差.本文詳細(xì)研究了在有拉曼邊帶效應(yīng)的情況下, 拉曼反射鏡的位置、拉曼脈沖的作用時(shí)刻及其間隔、拉曼光的失諧等參數(shù)對(duì)重力測(cè)量的影響.分析了冷原子重力儀實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)置參數(shù)對(duì)邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量值變化的影響, 發(fā)現(xiàn)原本不敏感的參數(shù)也會(huì)影響冷原子重力儀實(shí)驗(yàn).本文還提出了一種評(píng)估拉曼邊帶效應(yīng)的方法, 即通過改變拉曼反射鏡位置得到重力測(cè)量值隨拉曼光失諧量的變化, 利用線性擬合找到交叉點(diǎn), 從而評(píng)估出拉曼邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量偏差.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)所用的裝置是一套冷原子重力儀系統(tǒng), 真空系統(tǒng)和激光系統(tǒng)的描述可參考我們先前發(fā)表的文章[29,30].激光光源為兩個(gè)1560 nm的分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB激光器), 其中參考激光經(jīng)光纖分束器分束后進(jìn)入倍頻波導(dǎo)(PPLN WG)以產(chǎn)生780 nm的激光, 然后利用調(diào)頻轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻的方法鎖定該激光的頻率.另外一個(gè)主激光器通過拍頻鎖定的方法鎖定在參考激光器上, 利用數(shù)字跳頻鎖定技術(shù)可以方便更改主激光器的頻率; 一部分主激光隨后進(jìn)入光纖電光調(diào)制器(EOM), 調(diào)制的激光利用摻鉺光纖放大器(EDFA)放大到10 W,再經(jīng)過倍頻晶體(PPLN)轉(zhuǎn)換為自由光路的780 nm激光.這種激光方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng), 通過改變兩束激光器拍頻的鎖定點(diǎn)可以使主激光變?yōu)槔鋮s光, 利用EOM的射頻調(diào)制可以產(chǎn)生再泵浦光, 從而實(shí)現(xiàn)冷原子的裝載.同樣, 拉曼光也是通過調(diào)制產(chǎn)生, 利用單模保偏光纖輸送至真空系統(tǒng), 拉曼光偏振為垂直線偏振, 經(jīng)過1/4波片后被拉曼反射鏡完全反射, 返回光的偏振為水平線偏振, 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1(a)所示.

對(duì)于銣87 D2線, 基態(tài)能級(jí)差G約為6.834 GHz.為了產(chǎn)生拉曼光, 一般調(diào)制頻率設(shè)為G, 如圖1(b)所示, 其他調(diào)制邊帶也會(huì)存在.調(diào)制邊帶頻差如果是G都可以產(chǎn)生拉曼躍遷, 以圖1(c)為例進(jìn)行說明, 載波(k2)和正一級(jí)調(diào)制邊帶(k1)是想要的拉曼光組合, 然而負(fù)一級(jí)調(diào)制邊帶(k3)與載波(k2)也是一組拉曼光組合, 也能與原子發(fā)生雙光子過程, 這就是所謂的拉曼邊帶效應(yīng).多余的邊帶對(duì)冷原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量會(huì)產(chǎn)生重要影響, 詳細(xì)的理論分析見參考文獻(xiàn)[27], 邊帶引起的重力變化跟拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置zM、拉曼光失諧?、第一束拉曼脈沖作用時(shí)刻t0等參數(shù)密切相關(guān).

本文中涉及到的實(shí)驗(yàn)大多基于冷原子干涉重力儀開展.首先通過二維磁光阱(2D-MOT)制備一束低速的冷原子團(tuán), 并在二維輸送光的推動(dòng)下將其輸送到三維磁光阱(3D-MOT)進(jìn)行原子裝載.經(jīng)過 400 ms的裝載, 三維磁光阱大約可裝載109個(gè)原子, 然后利用偏振梯度冷卻過程將這團(tuán)冷原子溫度降至 5 μK.進(jìn)一步關(guān)斷所有光場(chǎng), 原子將在重力場(chǎng)作用下自由下落, 此時(shí)大部分原子都將處于F= 2 的 5 個(gè)磁子能級(jí)上.開啟豎直向 50 mG的磁場(chǎng)以定義量子化軸, 通過作用微波和拉曼選態(tài)π脈沖, 將原子制備到對(duì)磁場(chǎng)不敏感的|F=1,mF=0?純態(tài)上.隨后, 在t0時(shí)刻, 作用三束多普勒敏感的 π /2? π ? π/2 拉曼脈沖序列使原子波包干涉, 并利用歸一化探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)原子布居數(shù)的探測(cè).整個(gè)測(cè)量周期耗時(shí) 0.7 s, 測(cè)量重復(fù)率為 1.4 Hz,包括冷原子裝載、偏振梯度冷卻、量子態(tài)純化、冷原子干涉以及歸一化探測(cè)等過程.

圖1 拉曼光邊帶效應(yīng)示意圖Fig.1.The schematic diagram of Raman sideband effect.

3 拉曼邊帶效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)冷原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量的影響是復(fù)雜且顯著的.利用傳統(tǒng)的外腔式半導(dǎo)體激光器及光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)可以產(chǎn)生無(wú)邊帶的拉曼光系統(tǒng), 與利用EOM調(diào)制的有邊帶拉曼光系統(tǒng)可以進(jìn)行比較, 基于同一套真空單元排除其他系統(tǒng)效應(yīng)影響, 有無(wú)邊帶效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出, 在有邊帶效應(yīng)的情況下, 重力測(cè)量值隨不同T(拉曼脈沖的時(shí)間間隔)而變化, 幅度可達(dá) 1400 μGal.相反, 在無(wú)邊帶效應(yīng)的情況下, 重力測(cè)量值幅度變化約10 μGal左右.改變T測(cè)重力變化的方法是評(píng)估絕對(duì)重力的一種重要手段[31],因此邊帶效應(yīng)會(huì)直接影響冷原子重力儀的測(cè)量精度.

雖然拉曼邊帶效應(yīng)有相關(guān)的理論可以計(jì)算和解釋[27], 但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中很難用理論精確算出邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量值變化.拉曼邊帶效應(yīng)是一個(gè)綜合效應(yīng), 與許多實(shí)驗(yàn)參數(shù)密切相關(guān), 比如拉曼光中各調(diào)制邊帶的功率比r、拉曼脈沖的時(shí)間間隔T、拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置zM、作用第一個(gè) π /2 脈沖的時(shí)刻t0、拉曼光失諧?等參數(shù).因?yàn)閯?dòng)態(tài)情況下的各調(diào)制邊帶的功率比、原子團(tuán)位置等存在漲落, 很難在實(shí)驗(yàn)上精確測(cè)量這些參數(shù),所以理論計(jì)算只能提供粗略參考.

圖2 有無(wú)拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)冷原子重力儀測(cè)量結(jié)果的影響Fig.2.The influence of laser systems with and without sidebands on the measured results of cold atom gravimeter.

下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)介紹這些參數(shù)對(duì)冷原子干涉重力測(cè)量的影響.

1)拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置

在其他參數(shù)基本不變的情況下, 改變拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置zM, 分別在zM=41.50 cm 和zM= 40.58 cm 兩個(gè)位置得到了重力測(cè)量值隨T的變化, 結(jié)果如圖3所示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同拉曼反射鏡位置, 重力測(cè)量值隨T的變化關(guān)系完全不同, 且重力測(cè)量值變化幅度都較大(zM=40.58 cm 時(shí), 重力測(cè)量值變化幅度達(dá)到 2400 μGal).為了驗(yàn)證測(cè)量的重復(fù)性, 在相同的拉曼光反射鏡位置 (zM= 41.50 cm), 在不同時(shí)間進(jìn)行了多次測(cè)量,結(jié)果如圖4所示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同天的測(cè)量數(shù)據(jù)基本符合, 趨勢(shì)相同, 但是局部仍存在不重合, 本實(shí)驗(yàn)說明冷原子干涉重力測(cè)量對(duì)拉曼反射鏡位置比較敏感.

圖3 不同拉曼光反射鏡位置重力測(cè)量值隨 T 的變化.實(shí)心三角形:zM= 41.50 cm 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù); 實(shí)心正方形:zM=40.58 cm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3.Measurements of the gravity changes as a function of at two different positions of Raman retro-reflection mirror.Red and green scatters are the experimental data of the position of 41.50 cm and 40.58 cm respectively.

圖4 相同拉曼光反射鏡位置下多次測(cè)量重力值隨 T 的變化關(guān)系.不同顏色代表不同天的測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.4.Measurements of the functions of gravity changes as different T when the positions of Raman retro-reflection mirror are the same.Different colors denote the experimental data measured at different days.

2)作用第一個(gè) π /2 脈沖的時(shí)刻t0

通過獨(dú)立改變第一個(gè)拉曼 π /2 脈沖的作用時(shí)刻t0這一參數(shù), 可以得到圖5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).隨著t0的增加, 重力測(cè)量值的變化幅度可達(dá) 1200 μGal, 在t0=8 ms左右有一個(gè)最大值.

圖5 重力測(cè)量值隨 t0 的變化關(guān)系Fig.5.The measured gravity changes as a function of t0.

3)拉曼光失諧?

實(shí)驗(yàn)上通過改變拉曼光失諧?可以得到重力測(cè)量值的變化, 測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重力測(cè)量值隨?基本上線性變化, 斜率約為–0.87(7)μGal/MHz.

圖6 重力測(cè)量值隨拉曼光失諧 ? 的變化.紅圓點(diǎn):實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù); 紅線:線性擬合曲線Fig.6.The gravity variations with the changes of the detuning of Raman laser.Red dots:the experimental data;Red line:the linear fitted curve.

4)其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響

除了以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)之外, 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)邊帶效應(yīng)會(huì)使原本對(duì)重力測(cè)量不敏感的實(shí)驗(yàn)參數(shù)變得敏感.在掃描原子干涉條紋之前, 通常需要測(cè)量拉曼譜以確定正負(fù)頻率掃描的共振頻率位置, 為后續(xù)進(jìn)行量子態(tài)純化和干涉儀配置做準(zhǔn)備.在無(wú)邊帶效應(yīng)的情況下, 按照先前的理論, 設(shè)置不同的共振頻率, 只是選擇不同速度群的原子, 對(duì)最終的重力測(cè)量影響不大.然而, 在有邊帶效應(yīng)的情況下, 選擇不同速度群的原子, 相當(dāng)于間接改變了拉曼光反射鏡與原子團(tuán)中心的位置, 從而導(dǎo)致重力測(cè)量值與該共振頻率的設(shè)置點(diǎn)有關(guān).

為了驗(yàn)證該效應(yīng), 首先掃描拉曼譜, 確定正負(fù)掃描時(shí)的兩個(gè)共振峰位置f?和f+, 前者是負(fù)掃描的中心共振峰, 后者是正掃描的中心共振峰, 它們是二配置重力測(cè)量方案必須要設(shè)定的參數(shù)[32].通過固定f+, 改變f?可以研究該效應(yīng)對(duì)重力測(cè)量的影響, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7(a)所示.在共振峰中心位置附近變化正負(fù)20 KHz, 重力測(cè)量值的變化幅度約為120 μGal, 線性擬合的斜率約為–2.9(0.2) μGal/kHz.同樣, 利用無(wú)邊帶效應(yīng)拉曼激光系統(tǒng)也可以進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn), 結(jié)果如圖7(b)所示, 改變f?重力儀的系統(tǒng)誤差變化不大.

冷原子重力儀實(shí)驗(yàn)中, 設(shè)置完f?和f+后, 需要在這些頻率點(diǎn)掃描拉比震蕩曲線以確定拉曼 π 脈沖的脈沖寬度.然而, 由于拉曼 π 脈沖通常比較短,在 10 μs左右, π 脈沖的寬度不容易設(shè)置, 經(jīng)常需要粗略設(shè)置.另外, 考慮到拉曼光功率的漂移會(huì)引起 π 脈沖的寬度變化, 因此有必要研究不同拉曼光脈沖配置對(duì)重力測(cè)量的影響.實(shí)驗(yàn)上, 通過掃描拉比震蕩確定 π 脈沖的寬度是 12 μs, 一般設(shè)置三拉曼脈沖時(shí)間序列為 6 μs–12 μs–6 μs (π /2? π ? π/2).在有邊帶效應(yīng)的情況下, 分別在正常脈沖配置兩邊設(shè)置5 μs–11 μs–5 μs, 6 μs–11 μs–6 μs, 6 μs–13 μs–6 μs,7 μs–12 μs–7 μs四組實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(a)所示, 不同拉曼脈沖配置會(huì)影響重力測(cè)量值, 重力測(cè)量值最大變化幅度可達(dá)40 μGal, 無(wú)明顯變化規(guī)律.然而, 基于無(wú)邊帶效應(yīng)激光系統(tǒng), 在不同拉曼脈沖配置下重力測(cè)量值變化不大, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(b)所示.

4 一種拉曼邊帶效應(yīng)的評(píng)估方法

由第三節(jié)實(shí)驗(yàn)可知, 拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)很多實(shí)驗(yàn)參數(shù)很敏感, 因而會(huì)對(duì)冷原子干涉絕對(duì)重力測(cè)量產(chǎn)生影響.為了消除和減小其影響, 一種方案是通過外加調(diào)制器或FP腔濾波器直接消除多余的邊帶,在源頭上抑制邊帶效應(yīng)帶來(lái)的影響[28], 這種方法的最終效果取決于各邊帶的抑制比.另外一種方案是選擇合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)減小其影響, 比如設(shè)置合適的T和v0(第一個(gè)拉曼脈沖時(shí)的原子豎直速度)使原子干涉儀工作在對(duì)邊帶效應(yīng)不敏感的點(diǎn)上[27].其實(shí)不管哪種方案, 對(duì)冷原子重力儀來(lái)講, 都需要評(píng)估出拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)絕對(duì)重力測(cè)量產(chǎn)生的影響,即該系統(tǒng)效應(yīng)的大小需要評(píng)估.

圖7 重力測(cè)量值隨拉曼共振峰位置的變化 (a) 有邊帶效應(yīng); (b) 無(wú)邊帶效應(yīng); 圓散點(diǎn):實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù); 黑線:線性擬合曲線Fig.7.The gravity variations as a function of the positions of Raman resonant peak.(a) With sidebands effect; (b) without sidebands effect.Round scatters:the experimental data; Black line:the linear fitted curve.

圖8 不同拉曼脈沖配置對(duì)重力測(cè)量的影響 (a)有邊帶效應(yīng)情況; (b)無(wú)邊帶效應(yīng)情況Fig.8.The influence of different configurations of Raman pulses sequence on the measurement of gravity.(a) The case with sidebands effect; (b) the case without sidebands effect.

由圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果知, 邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量值隨拉曼光失諧?線性變化.基于這一規(guī)律, 實(shí)驗(yàn)可以通過改變拉曼光反射鏡與原子團(tuán)中心之間的位置, 分別在兩個(gè)豎直高度得到重力測(cè)量值隨?的線性變化曲線, 則在兩條擬合的直線交叉點(diǎn)A處, 可以認(rèn)為該點(diǎn)對(duì)反射鏡位置不敏感.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示, 兩個(gè)反射鏡位置 (41.50 cm和40.58 cm)下分別可以得到重力測(cè)量值隨拉曼光失諧的線性變化曲線, 交叉點(diǎn)A點(diǎn)的重力測(cè)量值約為 454(30) μGal.

圖9 不同拉曼光反射鏡位置重力測(cè)量值隨拉曼光失諧的變化.紅點(diǎn)和黑點(diǎn)分別是41.50 和40.58 cm兩個(gè)豎直位置下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 紅色和黑色直線分別是其線性擬合曲線Fig.9.Measurements of the gravity as a function of the detunings of Raman laser at the different positions of Raman retro-reflection mirror.red and black scatters are the experimental data for two different heights 41.50 cm and 40.58 cm respectively; Red and black lines are the corresponding fitted curves.

進(jìn)一步, 考慮到改變第一個(gè)拉曼脈沖作用時(shí)刻t0有類似的效果, 我們測(cè)量了不同t0下重力測(cè)量值隨拉曼光大失諧D的變化.如圖10所示,t0=8, 11, 17 ms 情況下, 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合,得到的三條直線相交于一點(diǎn), 則該點(diǎn)對(duì)第一個(gè)拉曼脈沖作用時(shí)刻不敏感.

綜上, 拉曼邊帶效應(yīng)是一個(gè)非常綜合的效應(yīng),與多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)有關(guān)系, 對(duì)冷原子重力儀的精度影響顯著.改變拉曼脈沖的時(shí)間間隔T、拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置zM、作用第一個(gè) π /2 脈沖的時(shí)刻t0、拉曼光失諧?等實(shí)驗(yàn)參數(shù), 測(cè)量到的重力儀系統(tǒng)誤差變化都可達(dá)到1000 μGal.與無(wú)邊帶效應(yīng)的冷原子重力儀相比, 原本對(duì)重力測(cè)量不敏感的實(shí)驗(yàn)參數(shù)也會(huì)影響重力測(cè)量值, 比如拉曼共振峰位置變化引起的重力儀系統(tǒng)誤差變化達(dá)到140 μGal,不同拉曼脈沖配置導(dǎo)致的重力測(cè)量值改變約40 μGal.此外, 拉曼光中各調(diào)制邊帶的功率比r需要評(píng)估, 定量的實(shí)驗(yàn)研究需要進(jìn)一步開展.上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)的穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響可以進(jìn)一步探究, 目前來(lái)看拉曼光反射鏡到冷原子團(tuán)中心的位置漲落比較難評(píng)估, 是影響邊帶效應(yīng)的一個(gè)重要因素.

圖10 不同t0下重力測(cè)量值隨拉曼光大失諧D的變化.黑圓點(diǎn):t0= 8 ms; 紅三角:t0= 11 ms; 藍(lán)方塊:t0= 17 msFig.10.The measured gravity as a function of the detunings of Raman laser with different t0.The black dots:t0=8 ms; The red triangle:t0= 11 ms; the blue square:t0=17 ms.

未來(lái), 拉曼激光邊帶的消除及抑制技術(shù)有待發(fā)展.一方面, 可以從源頭出發(fā)主動(dòng)解決邊帶效應(yīng)的影響問題.目前定制合適的FP腔濾波器和外加I/Q調(diào)制器都是不錯(cuò)的選擇, 不過這些技術(shù)有待進(jìn)一步改善.另一方面, 選擇合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)被動(dòng)地抑制其影響也是一種選擇, 這要求對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)有較好的控制, 且需要深入研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)與邊帶效應(yīng)之間的關(guān)系.總之, 隨著技術(shù)以及方法的發(fā)展, 我們相信拉曼邊帶效應(yīng)的影響最終可以得到精確評(píng)估.

5 結(jié) 語(yǔ)

基于一套冷原子重力儀, 本文分析了拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)儀器性能的影響.主要從冷原子重力儀的各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)出發(fā), 在有邊帶效應(yīng)的情況下, 研究了拉曼反射鏡的位置、拉曼脈沖的作用時(shí)刻及其間隔、拉曼光的失諧等一系列參數(shù)對(duì)重力測(cè)量的影響規(guī)律, 并測(cè)量了不同拉曼譜共振峰位置、不同拉曼脈沖序列組合引起的重力測(cè)量值變化.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),拉曼邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量值變化對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)比較敏感.最后, 基于邊帶效應(yīng)引起的重力測(cè)量值隨拉曼光的失諧線性變化這一規(guī)律, 通過在不同拉曼反射鏡位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 可以找到一個(gè)對(duì)拉曼反射鏡位置不敏感的交叉點(diǎn), 從而評(píng)估出拉曼邊帶效應(yīng)引起的系統(tǒng)效應(yīng), 約為 454(30) μGal.本文結(jié)果為減小拉曼邊帶效應(yīng)對(duì)冷原子重力儀測(cè)量精度的影響提供了依據(jù), 為小型化原子干涉?zhèn)鞲衅餮兄铺峁┝怂悸?