[科普中國]-核陀螺儀

陀螺儀是慣導系統(tǒng)的核心傳感器，其性能將直接決定慣導系統(tǒng)的導航精度。高精度陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了以牛頓經(jīng)典力學為理論基礎(chǔ)的液浮陀螺、撓性陀螺，到以Sagnac（薩格納克）效應(yīng)為基礎(chǔ)的激光陀螺、光纖陀螺，陀螺儀的工作原理和性能發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著現(xiàn)代物理的快速發(fā)展，原子冷卻、原子操控、激光技術(shù)的飛速進步，又誕生了一種以原子物理和量子力學為理論基礎(chǔ)的新型陀螺儀即原子陀螺。2

自1991年朱棣文小組首次觀察到原子干涉儀的陀螺效應(yīng)，世界各國大力發(fā)展原子陀螺，經(jīng)過20多年的研究，從最初的原理樣機驗證，到為滿足慣性導航實際需求的工程化技術(shù)攻關(guān)，原子陀螺已得到了長足的發(fā)展.

原子陀螺是原子傳感器中特殊的一類，是一種利用原子光譜感受外部轉(zhuǎn)動的高性能傳感器。作為一種新原理角度傳感器，原子陀螺承擔著對未來陀螺儀精度更高，體積更小，可靠性更強，動態(tài)性能更卓越的殷切希望，在慣性導航、姿態(tài)控制、科學研究等軍民領(lǐng)域已表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值，并引起了國內(nèi)外研究機構(gòu)的巨大興趣。

從工作原理上，原子陀螺可分為兩類，即基于原子干涉的冷原子陀螺和基于原子自旋的核磁共振陀螺。其主要發(fā)展方向主要對應(yīng)了高精度和小體積。

冷原子陀螺（原子干涉陀螺（AIG））是一種基于物質(zhì)波Sagnac效應(yīng)的新型陀螺儀。由于典型原子的德布羅意波長比可見光波長短30000倍，且原子具有質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)Sagnac效應(yīng)的理論公式，原子干涉儀的理論精度比光學干涉儀高出 倍3，將在超高精度導航、遠程導航、廣義相對論效應(yīng)測量、量子引力研究等領(lǐng)域起重要作用。

如右圖為用于陀螺的原子干涉儀原理。原子束中的原子被泵浦到 態(tài)，然后依次通過三對拉曼光。第一束光（ 光）將原子束制備在基態(tài) 和 的疊加態(tài)。由于激光作用和光子原子系統(tǒng)的動量守恒，2個基態(tài)的原子將處于特定的橫向動量上。在第一束光作用下， 態(tài)原子獲得橫向動量，原子波包從而被分成兩束；在第二束光（ 光）作用下，兩個態(tài)的原子交換原子態(tài)和動量，從而改變兩束原子的運動軌跡；在第三束光（ 光）作用下，兩束原子合束并產(chǎn)生干涉。旋轉(zhuǎn)將引起兩束原子間的相對相位移動，干涉信號可通過測量處于 態(tài)的原子數(shù)進行檢測。

旋轉(zhuǎn) 引起Sagnac相位移動為

式中：A 為回路包絡(luò)的面積； 為波長； 為速度； 為轉(zhuǎn)速。

如果用原子的德布羅意波長 （m 為原子質(zhì)量）代替 ，用原子的群速度 代替 ，可得物質(zhì)波的Sagnac相移公式為

核磁共振陀螺（NMRG）的工作原理與冷原子陀螺完全不同。該陀螺是一種利用核磁共振原理工作的全固態(tài)陀螺儀，通過探測原子自旋在外磁場中的拉莫爾進動的頻率移動來確定轉(zhuǎn)速。它沒有運動部件，性能由原子材料決定，理論上動態(tài)測量范圍無限，綜合運用了量子物理、光、電磁和微電子等領(lǐng)域技術(shù)，是未來陀螺儀發(fā)展的新方向。

沿z軸施加靜磁場的磁感應(yīng)強度B0，轉(zhuǎn)矩將迫使核磁矩沿磁力線排列，約一半的原子平行于磁力線，另一半反平行于磁力線。使用光抽運技術(shù)使原子移動到特定的塞曼子能級，此時單個原子的磁矩μF在磁力線上的投影完全相同，然后通過自旋交換碰撞使惰性氣體原子沿著磁力線形成非零宏觀磁矩M，如下圖(a)所示：

在圖(b)中沿x軸施加一個振蕩磁場 ，其頻率 約等于惰性氣體核磁矩的拉莫爾頻率，使M從z軸傾斜并在x-y平面內(nèi)進動。此時M出現(xiàn)了x-y平面中的分量 ，并以拉莫爾頻率繞z軸進動。此時有

式中 為原子的旋磁比。

沿x軸施加的磁場類似于2個繞z軸在x-y平面上反向旋轉(zhuǎn)的靜磁場。2個磁場的x分量總指向同一方向，其和為；2個磁場的y分量指向相反，相互抵消。

如圖(c)所示，如果包圍進動磁化矢量的參考系開始旋轉(zhuǎn)，觀察到的頻率變?yōu)?/p>

式中：為介質(zhì)的拉莫爾頻率；為參考系的角速率，正向旋轉(zhuǎn)定義為與M的進動方向相同。通過監(jiān)視這個頻率，如果知道旋磁比和施加的磁場，就可確定參考系的角速率。

1991年首次在原子干涉儀中觀察到慣性效應(yīng)，到2000年由Stanford和Yale大學聯(lián)合實現(xiàn)第一臺實驗室陀螺儀，該陀螺儀基于熱的Cs（銫）原子束干涉原理，精度為當時世界已報道的陀螺儀中最高。之后歐美各經(jīng)濟強國相繼報道了冷原子干涉陀螺儀，實現(xiàn)了線加速度和角速率的同步測量。這一時期的原子陀螺主要是原理驗證階段，重點驗證原子干涉在慣性測量領(lǐng)域具有高精度。

2000年至2010年的原子陀螺儀研究經(jīng)歷了熱原子束向冷原子團的過渡，由于冷原子干涉儀相對于熱原子在構(gòu)建小型化和系統(tǒng)集成化陀螺儀中的優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為原子陀螺儀工程化應(yīng)用研究的主要方向。代表性的科研小組研制的設(shè)備有：

耶魯大學的原子束干涉陀螺儀：零偏穩(wěn)定性達到，這個指標是當時世界上所有陀螺儀中已經(jīng)報道的最高精度；

法國巴黎天文臺冷原子慣性測量裝置；

美國斯坦福大學冷原子干涉陀螺儀：實現(xiàn)了零偏穩(wěn)定性為，成為世界上第一個得到優(yōu)良性能指標的冷原子干涉陀螺儀。

2010年以后，原子干涉陀螺儀研究開始面向工程化，瞄準慣性導航的實際需求，研究重點集中在降低設(shè)備體積、功耗，提高動態(tài)測量范圍、檢測帶寬和環(huán)境適應(yīng)性等方面。代表性的科研小組研制的設(shè)備有：

美國圣地亞國家實驗室冷原子對拋干涉儀；

加州大學伯克利分校原子干涉儀；

歐洲航天試驗室與航空總署開發(fā)的原子干涉儀激光單元。

在國內(nèi)已有多家單位開展了原子陀螺技術(shù)研究，主要包括清華大學、北京航空航天大學、中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所、國防科技大學、航天十三所、航天三十三所、中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所等。

隨著原子陀螺技術(shù)的逐漸成熟，原子陀螺儀已開始從實驗室走向工程化并最終邁向?qū)嶋H應(yīng)用。