[科普中国]-核陀螺仪

陀螺仪是惯导系统的核心传感器，其性能将直接决定惯导系统的导航精度。高精度陀螺仪的发展经历了以牛顿经典力学为理论基础的液浮陀螺、挠性陀螺，到以Sagnac（萨格纳克）效应为基础的激光陀螺、光纤陀螺，陀螺仪的工作原理和性能发生了翻天覆地的变化。随着现代物理的快速发展，原子冷却、原子操控、激光技术的飞速进步，又诞生了一种以原子物理和量子力学为理论基础的新型陀螺仪即原子陀螺。2

自1991年朱棣文小组首次观察到原子干涉仪的陀螺效应，世界各国大力发展原子陀螺，经过20多年的研究，从最初的原理样机验证，到为满足惯性导航实际需求的工程化技术攻关，原子陀螺已得到了长足的发展.

原子陀螺是原子传感器中特殊的一类，是一种利用原子光谱感受外部转动的高性能传感器。作为一种新原理角度传感器，原子陀螺承担着对未来陀螺仪精度更高，体积更小，可靠性更强，动态性能更卓越的殷切希望，在惯性导航、姿态控制、科学研究等军民领域已表现出巨大的发展潜力和应用价值，并引起了国内外研究机构的巨大兴趣。

从工作原理上，原子陀螺可分为两类，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。其主要发展方向主要对应了高精度和小体积。

冷原子陀螺（原子干涉陀螺（AIG））是一种基于物质波Sagnac效应的新型陀螺仪。由于典型原子的德布罗意波长比可见光波长短30000倍，且原子具有质量和内部结构。根据Sagnac效应的理论公式，原子干涉仪的理论精度比光学干涉仪高出 倍3，将在超高精度导航、远程导航、广义相对论效应测量、量子引力研究等领域起重要作用。

如右图为用于陀螺的原子干涉仪原理。原子束中的原子被泵浦到 态，然后依次通过三对拉曼光。第一束光（ 光）将原子束制备在基态 和 的叠加态。由于激光作用和光子原子系统的动量守恒，2个基态的原子将处于特定的横向动量上。在第一束光作用下， 态原子获得横向动量，原子波包从而被分成两束；在第二束光（ 光）作用下，两个态的原子交换原子态和动量，从而改变两束原子的运动轨迹；在第三束光（ 光）作用下，两束原子合束并产生干涉。旋转将引起两束原子间的相对相位移动，干涉信号可通过测量处于 态的原子数进行检测。

旋转 引起Sagnac相位移动为

式中：A 为回路包络的面积； 为波长； 为速度； 为转速。

如果用原子的德布罗意波长 （m 为原子质量）代替 ，用原子的群速度 代替 ，可得物质波的Sagnac相移公式为

核磁共振陀螺（NMRG）的工作原理与冷原子陀螺完全不同。该陀螺是一种利用核磁共振原理工作的全固态陀螺仪，通过探测原子自旋在外磁场中的拉莫尔进动的频率移动来确定转速。它没有运动部件，性能由原子材料决定，理论上动态测量范围无限，综合运用了量子物理、光、电磁和微电子等领域技术，是未来陀螺仪发展的新方向。

沿z轴施加静磁场的磁感应强度B0，转矩将迫使核磁矩沿磁力线排列，约一半的原子平行于磁力线，另一半反平行于磁力线。使用光抽运技术使原子移动到特定的塞曼子能级，此时单个原子的磁矩μF在磁力线上的投影完全相同，然后通过自旋交换碰撞使惰性气体原子沿着磁力线形成非零宏观磁矩M，如下图(a)所示：

在图(b)中沿x轴施加一个振荡磁场 ，其频率 约等于惰性气体核磁矩的拉莫尔频率，使M从z轴倾斜并在x-y平面内进动。此时M出现了x-y平面中的分量 ，并以拉莫尔频率绕z轴进动。此时有

式中 为原子的旋磁比。

沿x轴施加的磁场类似于2个绕z轴在x-y平面上反向旋转的静磁场。2个磁场的x分量总指向同一方向，其和为；2个磁场的y分量指向相反，相互抵消。

如图(c)所示，如果包围进动磁化矢量的参考系开始旋转，观察到的频率变为

式中：为介质的拉莫尔频率；为参考系的角速率，正向旋转定义为与M的进动方向相同。通过监视这个频率，如果知道旋磁比和施加的磁场，就可确定参考系的角速率。

1991年首次在原子干涉仪中观察到惯性效应，到2000年由Stanford和Yale大学联合实现第一台实验室陀螺仪，该陀螺仪基于热的Cs（铯）原子束干涉原理，精度为当时世界已报道的陀螺仪中最高。之后欧美各经济强国相继报道了冷原子干涉陀螺仪，实现了线加速度和角速率的同步测量。这一时期的原子陀螺主要是原理验证阶段，重点验证原子干涉在惯性测量领域具有高精度。

2000年至2010年的原子陀螺仪研究经历了热原子束向冷原子团的过渡，由于冷原子干涉仪相对于热原子在构建小型化和系统集成化陀螺仪中的优势，目前已经成为原子陀螺仪工程化应用研究的主要方向。代表性的科研小组研制的设备有：

耶鲁大学的原子束干涉陀螺仪：零偏稳定性达到，这个指标是当时世界上所有陀螺仪中已经报道的最高精度；

法国巴黎天文台冷原子惯性测量装置；

美国斯坦福大学冷原子干涉陀螺仪：实现了零偏稳定性为，成为世界上第一个得到优良性能指标的冷原子干涉陀螺仪。

2010年以后，原子干涉陀螺仪研究开始面向工程化，瞄准惯性导航的实际需求，研究重点集中在降低设备体积、功耗，提高动态测量范围、检测带宽和环境适应性等方面。代表性的科研小组研制的设备有：

美国圣地亚国家实验室冷原子对抛干涉仪；

加州大学伯克利分校原子干涉仪；

欧洲航天试验室与航空总署开发的原子干涉仪激光单元。

在国内已有多家单位开展了原子陀螺技术研究，主要包括清华大学、北京航空航天大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院武汉物理与数学研究所、国防科技大学、航天十三所、航天三十三所、中航工业西安飞行自动控制研究所等。

随着原子陀螺技术的逐渐成熟，原子陀螺仪已开始从实验室走向工程化并最终迈向实际应用。