基於超穩雷射的大型被動雷射陀螺儀的研究

《基於超穩雷射的大型被動雷射陀螺儀的研究》是依託華中科技大學，由張潔擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：基於超穩雷射的大型被動雷射陀螺儀的研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：張潔
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

高靈敏度的地球自轉角速度測量在慣性導航、衛星定位、地球物理和基礎物理等許多領域有著重要的作用。本項目意在通過對大型被動雷射陀螺儀的研究，將地球自轉的測量推進到新的靈敏度範圍，發揮它在基礎物理前沿和國家重大戰略需求中的重要作用。本項目研究基於超穩雷射的大型被動雷射陀螺儀，其尺度穩定性由超穩雷射控制。超穩雷射的短穩鎖定到一個超穩腔上，長穩鎖定到由氫鐘參考的飛秒光纖光梳上。通過計算表明，設計的大型被動雷射陀螺儀可用於開展廣義相對論的驗證、萬有引力常數G是否隨時間變化等基礎物理實驗。我們計畫搭建一個周長4 m，面積1 m^2的大型被動雷射陀螺儀H-ring作為驗證方案可行性的原理樣機，靈敏度目標為5*10^(-10) rad/s/√Hz。

結題摘要

陀螺儀是精密轉動測量和慣性導航中最重要的儀器之一，具有高分辨本領、 精密轉動測量和慣性導航中最重要的儀器之一，具有高分辨本領、優良的穩定度和超大量程等優點。利用大型雷射陀螺儀可以測量與地球自轉相關的極移和固體潮，周年極移和錢德勒擺動，日長變化，以及在地球上直接測量由自轉而產生時空拖拽的Lense-Thirring效應等。我們搭建並實現1 m*1 m 的大型被動雷射陀螺儀，環形腔的精細度達到141000，對應Q值為5.3*10^(11)。將自由運轉的半導體雷射器的輸出光分別沿著逆時針方向和順時針方向注入環形腔，將兩束光分別鎖定到環形腔兩個方向的相鄰縱模的共振峰上。實現地球自轉引起的轉動信號的採集和分析，在6-50 Hz頻段內旋轉測量靈敏度達到為2*10^(-9) rad/s/rtHz。利用超穩雷射實時測量了陀螺儀腔長變化及其對陀螺儀轉動信號的影響，扣除腔長貢獻，旋轉測量解析度在4000 s處達到7*10^(-10) rad/s。目前系統受限於探測噪聲，剩餘幅度調製和腔長的變化。與此同時，利用超穩腔穩頻和鎖定到氫原子鐘的飛秒光梳，實現1秒到千秒時間範圍內穩定度均好於10^(-14)的超穩雷射。為了實現陀螺儀系統的長期穩定性和連貫性，我們通過利用數字鎖定方法設計自鎖定程式來實現超穩光源的快速自鎖定。進行了深入的誤差分析，為實現更大尺度的大型雷射陀螺儀給出關鍵參數設計。我們的結果將被動式雷射陀螺儀的轉動測量敏感度提高到了新的水平，全頻段好於其他被動式雷射陀螺儀的現有水平。展現了被動式雷射陀螺儀還有很大的潛力可以以更小的代價實現更高精度的地球旋轉測量。