美研究人员开发用于导航的便携式原子陀螺仪

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员，在基于单个原子的特性成功对原子钟与磁强计小型化后，正研究用来测量旋转的精度陀螺仪。

NIST的便携陀螺仪是陀螺仪/加速度计的结合

NIST的研究小组已对紧凑型原子陀螺仪的设计进行验证，进一步研发后，它将更加便携、功耗低、且精度更高可用于导航。陀螺仪传统上基于机械部件的自旋或振动，在导航中应用普遍，并被越来越多地用于智能手机等电子产品中。NIST研发的新设备可用于尺寸特殊，重量、功率受限情况下的超高精度导航，如航天器或潜艇等。此外，NIST的陀螺仪还可以同时测量加速度。陀螺仪/加速度计的结合允许进行“航迹推测”导航，无需参照其他物体或星星。

这种新型原子陀螺仪的玻璃舱室大小仅3.5立方厘米。整个实验装置，包括低功率激光器和光学原件，目前为桌面大小尺寸，但NIST的研究者旨在将整个装置尺寸缩小为便携式立方体，约迷你冰箱大小。

结构与工作原理

这种新型陀螺仪是原子干涉陀螺仪，它基于激光冷却原子的原理，该技术最初在斯坦福大学10米高的原子“喷泉”上进行了演示。传统的光学干涉仪，组合或“干扰”光中电磁波，之后从结果波形模式提取出原始光路的信息。与之相似，原子干涉仪利用原子物质波的特性，干涉这些波以测量原子上的力。当原子加速或旋转时，它们的物质波以可预见的方式发生偏移和干扰，在干涉图形中可见。

NIST陀螺仪的核心是一个小的玻璃室，包含约800万冷铷原子——被捕获和释放。虽然原子在重力作用下回落，激光束使它们在两个能量状态之间转换。这一过程涉及光粒子的吸收和发射，这给予原子动量使其物质波分离，而后重组干涉。

冷原子云在50毫秒的测量序列内，扩展到初始大小的5倍。旋转通过倾斜玻璃室下方的镜子进行模拟。对一个原子的干涉效果取决于其速度，所以旋转产生的干扰原子带跨越最后的云图像。

未来应用

项目负责人伊丽莎白·唐利表示，通常情况下，陀螺仪/加速计的结合需要两个独立的原子源。NIST的版本从单一的扩展原子云同时得到两个信号，这可大大简化设备。原子陀螺仪将比传统的精度陀螺仪产生更少的偏差，NIST的系统与其他类似原子干涉仪相比，不仅体积更为紧凑，也更简单。

来源：《每日科学》网站/图片来自互联网