探索绝对重力仪,追求极致中国‘g’【《光学学报》创刊40周年庆】


 

40周年约稿| 吴书清, 李天初; 绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉[J]. 光学学报, 2021, 41(1):0102002.

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编者按

2021年是《光学学报》创刊40周年,编辑部特邀中国计量科学研究院李天初院士团队撰写《绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉》综述论文,文章对光学干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪取得的进展及未来发展方向进行了总结与展望。本文的全文链接如下: http://www.opticsjournal.net/Articles/HPAbstract?manu_number=g201283

1、引言

重力对自由下落的物体产生的加速度,称为重力加速度。如果以m表示物体的质量,以g表示重力加速度,重力G可表示为G=mg。重力加速度是随着时间和空间而不断变化的量,对它的测量可以分为绝对重力测量和相对重力测量。


不同地点的重力加速度

它们在计量科学、地球物理、辅助导航、资源勘探、海洋监测等领域有着广泛的应用。其中绝对重力测量是保证所有重力加速度测量结果具有溯源性和准确性的必要手段。为纪念第一个测定重力加速度的物理学家伽利略,人们把重力加速度的CGS单位(厘米、克、秒单位制)称为“伽(Gal)”。


伽利略比萨斜塔实验(图片来自网络)

其中绝对重力测量是保证所有重力加速度测量结果具有溯源性和准确性的必要手段。在国际单位制(SI)中重力加速度的单位是 m/s2;在实际应用中通常用“毫伽”(1 mGal = 1×10-5 m/s2)和“微伽”(1μGal = 1×10-8 m/s2)来表征测量结果。

目前,光学干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪是开展绝对重力测量的主要手段。中国计量科学研究院李天初院士及其团队对光学干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪取得的进展及未来发展方向进行了总结与展望。目前,该团队通过自主研制光学干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪(见下图)并成功主办第十届全球绝对重力仪国际比对,建立了全球重力加速度基准原点和国家重力加速度计量基准。


中国计量科学研究院自主研制的光学干涉绝对重力仪参加国际比对


中国计量科学研究院自主研制的原子干涉绝对重力仪参加国际比对

2、光学干涉绝对重力测量

典型的光学干涉绝对重力仪分别以激光波长和原子钟作为长度基准和时间基准,内部装有角锥棱镜的落体作为敏感元件,落体在真空中自由下落的运动加速度即为当地的重力加速度。

角锥棱镜是一种可以保证反射光与入射光平行的光学器件,以它为敏感元件可以自然消除光路的水平扰动对垂直方向上重力测量的影响,从而大幅提高测量精度。

绝对重力仪的主要光学测量结构为迈克尔逊干涉仪,如图1所示。激光器发出的光束经准直后到达分光镜,一路作为参考臂,光程保持不变,沿水平方向传播;另一路作为测量臂,光束垂直向,先被自由下落的落体棱镜反射,垂直向下入射到参考棱镜中,被反射后重新回到分光镜,与参考臂合光,形成干涉。光电探测器采集该干涉条纹信号,将其转换成电信号后,通过数据采集卡传输至信号处理系统中。结合铷原子钟的时钟信号,可以得到条纹信号幅值为零时的所有时刻序列,对其进行二次拟合,即可求解出落体受到的重力加速度。


图1 光学干涉绝对重力仪的原理

采由于干涉仪实际求解出的重力加速度是落体相对于参考棱镜的运动加速度,因此,为了提高重力测量的准确性和稳定性,在实际使用中普遍将参考棱镜放置在隔振系统中,以保证其受外界振动干扰尽可能小;或用拾振器采集其振动信号,从测量得到的落体轨迹信号中将其减去,从而实现对重力加速度测量值的修正。

3、原子干涉绝对重力测量

经过近三十年的发展,原子干涉重力测量的稳定度和准确度已经接近或超过光学干涉重力仪,且具有测量周期短、无机械磨损、可长时间连续稳定工作等优点,已经成为重力加速度绝对测量的重要手段。

原子干涉绝对重力仪按照功能可以分为真空物理系统(示意图见图2)、光学系统、控制系统和隔振等部分。真空物理系统用于制备冷原子样品,激光系统用于实现激光冷却、原子干涉操控和探测等,控制系统用于完成原子干涉绝对重力仪整机工作流程,隔振及其他辅助部件用于实现系统稳定工作。为了满足移动型和稳定性,原子干涉绝对重力仪各部分都朝着小型化、集成化方向发展。


图2 原子干涉重力仪真空物理部分示意图

原子干涉重力仪的主要指标包括测量灵敏度和准确度。影响原子干涉绝对重力仪测量灵敏度的因素包括振动噪声、拉曼激光的频率、相位和强度噪声、探测噪声等。NIM-AGRb-1型原子干涉绝对重力仪可实现长时间连续测量重力加速度,如图3所示为长达500小时的不间断连续重力测量数据,单次测量1 s,每个数据点为3分钟测量数据的平均值,描绘出20天的固体潮曲线。下方数据为实验数据与固体潮理论值的差值,峰峰值小于20 μGal。


图3 (a) NIM-AGRb-1原子干涉绝对重力仪长期重力测量数据; (b)实验数据与理论差值

相位型超振荡平面透镜具有高聚焦效率的显著优势,因此具有更好的应用前景,纵向刻蚀深度偏差基本不改变聚焦光斑的形态分布,而主要影响聚焦光斑的强度,π相位差对应的聚焦光斑强度最大,当刻蚀深度偏差引入的相位调制偏离π时,聚焦光斑强度逐渐下降,与三维时域有限差分法电磁仿真结果一致,为使相位型SOL聚焦光斑保持较高强度,应使介质层刻蚀深度对应的相位调制量保持在 的范围内。

该研究基于自主设计、加工制备的超振荡平面透镜研制集成了新型超分辨光学显微镜,如图3所示,完成了光机系统方案设计、机械加工装配、测控软件编写、实验验证、原理样机研制及测试(如图4所示)。


图4 NIM-AGRb-1重力测量数据的阿伦方差

利用该差值数据可以得到阿伦方差,如图4所示,黑色方形点为NIM-AGRb-1型原子干涉绝对重力仪不同积分时间的阿伦方差,该数据点拟合直线的斜率为44 μGal/Hz1/2,一般称为重力测量灵敏度。当积分时间达到30 000 s时,阿伦方差接近0.2 μGal,展示了该原子干涉绝对重力仪良好的稳定性。作为对比,红色数据点为同址测量的FG5X-249型商品光学干涉绝对重力仪的数据,可以看出原子干涉绝对重力仪的测量稳定性已优于光学重力仪。

原子干涉绝对重力仪另一个重要参数是准确度,各种物理因素会导致重力测量绝对值的偏移,包括二阶塞曼效应、单光子相移、射频相移、双光子相移、自引力效应、科里奥利力效应、拉曼激光垂直偏差、激光波长偏差、波前畸变等效应,因此需要进行系统误差评估和不确定度分析。此外,还需要考虑各种环境因素,如气压变化、极移等效应。

表1给出NIM-AGRb-1型原子干涉绝对重力仪系统误差评估项,包括上述波矢无关项,以及波矢有关的双光子相移等效应,其中影响较大的是科里奥利力效应、探测、双光子相移、自引力效应、波前畸变效应等,总的偏移为-18.6 μGal,评估不确定度为5.2 μGal,其中不确定度最大项为波前畸变效应。

表1 NIM-AGRb-1系统误差评估表

4、总结与展望

激光技术六十多年的发展进步,为光学干涉及原子干涉绝对重力仪的技术发展奠定了基础,提供了机遇。目前光学干涉绝对重力仪是主流应用的仪器类型,其测量水平已逼近极限精度。未来光学干涉绝对重力仪的发展将主要以提高可靠性为主,其应用领域也将扩展至海洋、航空、卫星等多种场景。原子干涉绝对重力仪是一种基于冷原子物质波干涉原理的新型绝对重力仪,是非常有潜力的技术方案和发展方向。在2017年由中国计量科学研究院主办的第十届绝对重力仪国际比对中,来自国内六家单位研制的原子干涉绝对重力仪实现了与激光干涉绝对重力仪的相互验证。近年来,可移动型原子干涉绝对重力仪发展迅速,已完成船载及机载测量,且国外多家公司实现了对该类仪器的商品化。这些进展为原子干涉绝对重力仪迈向更广泛的应用领域奠定了基础。

 

课题组简介:

中国计量科学研究院重力仪基础研究创新团队
 

研究方向:原子干涉绝对重力仪研制、光学干涉绝对重力仪研制、重力梯度仪研制及应用、绝对重力仪国际比对、国家重力加速度计量基准体系建立; 

团队带头人:李天初院士;

团队成员:王少凯、赵阳、庄伟、吴书清、冯金扬、李春剑;

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