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。

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。

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。

为降低探测激光功率抖动对高精度冷原子干涉仪测量结果的影响, 以声光调制器作为激光强度反馈媒介, 采用混频器对声光调制器驱动射频功率进行控制, 搭建了用于冷原子干涉仪探测激光脉冲的功率稳定系统, 实现了冷原子干涉仪探测过程中激光脉冲的快速功率稳定。功率稳定后, 激光脉冲的功率稳定建立时间达到μs量级, 功率稳定度优于[2.11×10-4](500 μs), 激光功率的长期稳定度为[2.47×10-4](14 h), 激光功率的噪声得到了有效抑制。理论上可以将探测激光的功率抖动对于冷原子干涉仪相位信号的噪声贡献降低至[1.38 mrad]。较大程度上提高了干涉信号的稳定性, 降低了系统噪声。

冷原子干涉仪的原子冷却与囚禁过程对于激光的线宽、频率的准确性和稳定性有很高的要求。为获得满足实验需求的 780nm激光束, 利用 Rb87原子 D2线的精细谱线 5S1/2 F= 1. 5P3/2F= 3作为频率参考谱线, 用调制转移稳频方法(MTS), 获得无 Doppler背景的调制转移光谱。在实验中利用这个光谱信号作为误差信号可以将激光器频率稳定在铷原子参考频率上长达 20h, 线宽在 136kHz, 频率稳定度在 8.5′ 10-12(0.1s), 满足实验室冷原子干涉实验的要求。

大通量冷原子源是实现高精度冷原子干涉仪的关键技术之一。为获得大通量冷原子源, 通常采用二维磁光阱(2D-MOT)和三维磁光阱(3D-MOT)的级联结构, 其中2D-MOT的磁场分布是影响其性能的重要因素。通过数学建模及有限元分析, 对2D-MOT中不同构造(长方形、跑道形、马鞍形)的反亥姆霍兹线圈进行数值计算, 分析了不同构造线圈的磁场分布及因在制造与装配过程中产生的偏心、线圈不对称、平行度及内径不对称误差造成的磁场零点漂移和磁场梯度变化。分析结果表明, 在偏心误差C<1.14 mm, 线圈不对称误差ΔI<0.016 A, 平行度误差θ<1.02°时, 马鞍形线圈产生的磁场梯度更有利于制备大通量冷原子源。该结果为冷原子干涉仪2D-MOT的磁场系统设计和加工提供了理论指导。

在冷原子干涉仪的研究中, 常采用三个拉曼光脉冲实现对原子束的相干操控(分束、反射和合束)。拉曼激光的功率抖动会引起Rabi频率的变化, 从而带来严重的干涉相移噪声。这些噪声对用于高精度转动加速度测量的冷原子干涉仪来说是不可忽略的系统噪声, 因此实现拉曼激光的功率稳定对于实现高精度原子干涉是至关重要的。采用声光调制器(AOM)作为执行器, 设计了一套用于稳定激光功率的数字控制系统。在对AOM进行系统辨识和控制器仿真设计的基础上, 利用Labview程序实现了激光功率稳定的PID控制。测试结果表明, 在测量时间为1 h情况下, 激光功率的不稳定度由系统闭环前的1.67%降低到了系统闭环后的0.19%, 极大地提高了干涉信号的稳定性, 同时也降低了系统噪声。

双磁光阱的同步实现是利用冷原子干涉仪检验爱因斯坦等效原理的重要实验基础之一。采用高频声光调制移频方案获得了冷却囚禁85Rb 和87Rb两种原子的激光，进而同步实现了两种原子的磁光阱。在此基础上，研究了双磁光阱中原子数与冷却光参数的关系，优化了实验参数， 双磁光阱中两种原子的数目均达到109。