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。

提出基于平顶复合光脉冲构建大动量原子干涉仪的方案。利用大动量原子干涉仪灵敏度函数解析模型，对大动量原子干涉仪的对比度和相位噪声进行分析。将平顶复合光脉冲应用于原子干涉仪进行仿真计算，结果表明平顶光相比高斯光可提高原子团跃迁的一致性，增加原子干涉条纹的对比度。通过设计对称反向的复合脉冲序列，抑制多脉冲作用过程中相位噪声和振动噪声的干扰。数值仿真结果表明，相比高斯光脉冲，使用平顶复合光脉冲的大动量原子干涉仪的灵敏度提高了1个量级，同时具有较好的抑制环境噪声的能力。

重力梯度仪在资源勘探、地球物理研究、自主导航等领域有重要的应用价值。原子干涉重力梯度仪是一种新型的高精度测量仪器，小型实用化是其实现广泛应用需要解决的核心问题。本文设计实现了1套可测量水平分量的小型高精度原子重力梯度仪。该仪器采用全石英材料真空腔体与附件框架相结合的技术方案，使得探头部分的体积降低到105 L，采用模块化双面光路结构，使得光学单元的体积降低为36 L，因而具有十分优良的可搬运性能。在实验室条件下，该原子重力梯度仪的测量灵敏度为320 E/Hz，测量分辨率为3.3 E@4800 s (1 E=1×10^-9 s^-2)。

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。

为了满足海空重力场测量、资源勘探、惯性导航与定位等野外绝对重力测量需求，小型化、可移动和高鲁棒性是工程化原子干涉重力仪的重要发展方向。分析了原子干涉重力仪的原理和结构特点，总结了原子重力仪的主流分类和发展趋势。具体分析了基于可移动原子重力仪的可搬运、车载、机载、电梯运载和船载绝对重力测量试验的原理及目前达到的精度指标。对应用于不同运动载体的可移动重力仪的技术特点和主要指标进行了比较，并初步探讨了用于野外测试的可移动原子重力仪发展方向和应用前景。

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。

报道了采用受激拉曼绝热捷径(STIRSAP)方案实现原子干涉仪并提高其稳健性的实验研究结果。 对STIRSAP型拉姆齐原子干涉仪的条纹对比度进行了分析。与传统的受激拉曼绝热通道型拉姆齐原子干涉仪相比, STIRSAP加速了布居数绝热转移过程,提高了原子干涉条纹的对比度。通过调制抽运光和斯托克斯光的强度,研究了 交流斯塔克效应对原子干涉条纹相移的影响,实验结果表明STIRSAP能有效抑制原子干涉过程中的交流斯坦克效应, 提高原子干涉仪的稳健性。