在各种冷原子干涉测量系统中, 磁光阱(Magneto Optical Trap, MOT)、补偿及偏置磁场控制是不可或缺的关键技术, 稳定、快速的磁场控制直接影响着原子冷却囚禁、干涉等过程中原子团的精密操控。设计了一套高性能的精密磁场控制系统, 电路结构上通过采用精密放大器驱动的低噪声恒流源拓扑, 以降低磁场驱动电流的噪声水平; 控制方式上采用模拟PID+扰动抑制的控制策略, 以提高磁场驱动电流的开关速度。实验室环境下测试结果表明: 当磁场驱动电流输出为1 A的情况下, 电流开启时间优于300 μs, 关断时间优于50 μs, DC(0 Hz)~250 kHz频率范围内总体电流噪声优于-80 dB。最终, 通过在冷原子绝对重力仪/重力梯度仪与冷原子陀螺系统中的应用测试, 所设计的磁场控制模块满足了冷原子干涉系统控制需求, 达到了预期效果。而且通过自主研制, 解决了对商用磁场控制模块的依赖, 促进了量子测量装置的装备化。

冷原子绝对重力仪和冷原子重力梯度仪在外界动平台上的精度相较实验室精度差距较大, 其中最主要的振动噪声目前已经有较为成熟的方案进行抑制, 而由于载体转动引起的姿态噪声目前尚未研究。从冷原子干涉仪的敏感机制入手, 推导了在姿态扰动情况下冷原子绝对重力仪和重力梯度仪的相位改变, 并利用双光子拉曼演化方程给出了相应的高阶灵敏度函数补偿方案, 提升了冷原子绝对重力仪和重力梯度仪在复杂环境下的灵敏度和环境适应性。

冷原子重力梯度仪利用原子的量子态叠加特性和物质波干涉特性测量绝对重力梯度信息, 具有高精度、低漂移、自校准等特性, 在深地/深海资源开发、地质灾害预警预防、战场环境建设与作战保障、地球科学研究等领域均具有重大潜在应用价值。简要描述了冷原子重力梯度仪的工作原理及实现方案; 综述了冷原子重力梯度仪的技术优势及国内外研究现状; 分析了冷原子重力梯度仪当前面临的痛点、难点问题, 并对部分问题提出了解决方案, 总结了冷原子重力梯度仪的发展趋势。

通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于⁸⁷Rb原子D₂线超精细跃迁5²S_1/2，F=2→5²P_3/2，F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^-14 τ^-1/2。

实现了具有最轻质量碱金属⁶Li的冷原子干涉仪，并通过精确测量其反冲频率初步获得精细结构常数。为了克服⁶Li原子的总角动量为半整数所导致的对磁场敏感的困难，提出一种磁不敏感Raman跃迁，实现了垂直Raman光的共轭Ramsey Bordé型原子干涉仪，其相干时间超过2.3 ms。通过几何关系用四组干涉仪消除Raman光束之间角度带来的误差。测量得到的反冲频率ω_r为2π×73672.789（36）Hz，精细结构常数为1/137.035976（33），是迄今为止基于冷原子干涉仪对⁶Li反冲频率的最精确测量。⁶Li冷原子干涉仪的实现不仅丰富了原子干涉仪的元素，而且由于其反冲频率大的特点，在精密测量领域具有极大的潜力。

从原子受力模型出发, 研究光栅磁光阱中衍射光与磁场非正交条件下亚多普勒冷却机制, 建立四束型和五束型光栅磁光阱中原子受力冷却和陷俘理论模型, 分析光栅磁光阱作用下原子受到散射力与陷俘速度、回复力与形成势阱范围关系, 以及光栅衍射角对原子陷俘速度和原子囚陷范围的影响。结果表明, 衍射光与入射光的合力在磁场中心位置为零, 构成有效势阱, 光栅衍射角引起的衍射光偏振分量的变化对原子所受阻尼力、回复力和原子陷俘速度均有影响, 也会最终影响到光栅磁光阱囚禁的原子数, 为光栅磁光阱实现原子冷却和陷俘, 以及光栅芯片设计提供了理论依据。

冷原子技术是一种量子精密测量技术, 能够高精度、高空间分辨率测量重力信息, 并具有动态测量能力。目前在高精度绝对重力测量、海空重力测量, 以及卫星重力测量应用中受限于传统重力测量技术的物理极限, 难以实现亚微伽级和动态绝对重力测量, 限制了重力测量应用的发展。通过总结冷原子绝对重力技术进展和当前重力测量应用需求, 分析了未来在冷原子技术驱动下的重力测量应用发展趋势。

冷原子干涉实验中涉及复杂的激光调制技术, 为调制器提供合适的射频驱动信号至关重要, 驱动信号的相噪直接影响了冷原子干涉仪的灵敏度。设计了一种能够产生6.834 GHz信号的低相噪信号源, 该信号源采用二级锁相环频率合成技术, 将恒温晶振输出的10 MHz信号倍频到100 MHz, 再将100 MHz信号倍频到7 GHz, 最后与外部DDS芯片产生的166 MHz信号混频实现6.834 GHz微波信号源。经过测试, 信号源的输出相位噪声为-61.9 dBc/Hz@1Hz, 满足冷原子干涉实验的需求。

冷原子干涉仪中, 囚禁原子数的抖动会转化为等效的干涉信号相位抖动, 直接影响原子干涉测量结果。针对此问题, 提出了一种冷原子干涉仪囚禁原子数主动稳定技术, 通过测量干涉末态的原子数信息, 反馈控制3D-MOT装载时间, 实现对囚禁原子数的主动稳定。通过应用该技术, 在装载时间大约为40 ms的条件下, 3D-MOT囚禁原子数的短期抖动由27.1%@0.5 h降为7.4%@0.5 h, 长期漂移由39.9%@10 h降为10.4%@10 h, 显著提升了囚禁原子数的稳定性。该技术可以解决动态条件下冷原子干涉仪姿态变化导致的囚禁原子数大幅度抖动问题。