波粒渦旋陀螺制造技術

本發明專利技術涉及一種波粒渦旋陀螺。利用渦旋光產生常溫波色?愛因斯坦凝聚(BEC)的渦旋疊加態，將渦旋光軌道角動量所攜帶的待測信息傳遞到常溫BEC中；量子阱中常溫BEC渦旋態物質波會隨著平臺轉動發生干涉現象，通過檢測系統檢測相位變化，即可獲得待測信息。本發明專利技術通過級聯渦旋光與常溫BEC，利用物質波高精度敏感來達到對渦旋光慣性測量靈敏度的激增放大，從而實現對姿態角速率的超高精度和超高靈敏度測量。相對基于超低溫BEC的原子陀螺，由于常溫BEC的渦旋疊加態非常穩定且渦旋光及渦旋物質波可自成光路，因此渦旋光與常溫BEC級聯激增還可實現陀螺的高穩定性和小型化。本發明專利技術屬于慣性測量技術領域，可應用于未來超高靈敏度且小型化的導航定位等領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種波粒渦旋陀螺，適用于新一代量子導航領域，不僅可以有效提高量子陀螺的精度和靈敏度，而且還可實現小體積。技術背景慣性導航系統作為一種自主式導航系統，與衛星導航系統相比具有全天候、全時空、隱蔽性好、不易被干擾、無法被反利用和生存能力強等優點，但是作為一種推算式導航系統，陀螺儀誤差將導致其導航參數誤差隨時間迅速積累，即導航精度隨時間而發散，長期穩定性差。因此，陀螺儀是慣性導航系統的核心，是制約慣性導航精度的主要瓶頸。針對未來航天活動需求，由于飛行距離、飛行時間、飛行速度的不斷提高，對導航設備精度、靈敏度和體積提出了越來越高的要求。傳統概念的陀螺是通過轉子轉動產生動量矩來敏感陀螺相對慣性空間的角運動，但是由于加工精度、摩擦等因素，靈敏度和精度發展空間受限。盡管采用磁懸浮和靜電等先進懸浮手段，可以一定程度上減小轉子摩擦，但這又必然大幅增加陀螺儀的體積和成本。基于Sagnac效應的光纖陀螺和激光陀螺，雖然巧妙回避了機電式陀螺轉子系統存在的不足，但由于陀螺精度和光程緊密相關，而光程太大又會對陀螺穩定性和可靠性帶來影響，致使靈敏度和精度的發展遇到瓶頸。近年來隨著低溫物理學等領域的快速發展，出現了原子陀螺的研究熱潮。原子陀螺包括原子干涉陀螺和原子自旋陀螺兩大類。原子自旋陀螺具有小型化的巨大潛力，但是，無論是哪種形式的自旋陀螺，都不可避免地存在 原子之間或分子之間的碰撞和摩擦，這必然影響和制約量子自旋陀螺的精度和靈敏度。原子干涉陀螺則是基于物質波的Sagnac效應，與光學陀螺相比，具有超高的理論靈敏度，但是系統復雜且難以小型化。總之，現有陀螺儀在精度、靈敏度和體積之間存在突出矛盾，無法滿足未來慣性導航技術的迫切需求，因此亟需探索研究新概念陀螺儀。隨著半導體技術的發展，微腔量子阱、量子點等的制備技術取得重大突破，同時也帶來了半導體激子激元的研究熱潮。由于半導體微腔制備簡單，且激子激元不受光束漂移的影響，具有超高的穩定性，并且該裝置具有小型化的突出優勢，其一經提出便引起了國際社會的高度重視。2010年加拿大蒙特利爾工程學院首次在室溫條件下通過有機單晶微腔產生極化激元激光；2013年德國伍伯塔爾首次在《Science》上公開在高分子聚合物中實現室溫條件下的激子激元凝聚態，即常溫BEC。常溫BEC的出現，極大程度地克服了現有超低溫BEC所存在的體積大和成本高等突出問題，而且凝聚態從氣態變成固態，大幅提高了系統的穩定性。同時，近年來，具有大軌道角動量的渦旋光制備技術不斷發展，在小型化上取得重大突破。因此針對現有陀螺儀超高精度超高靈敏度和小體積之間的突出矛盾，探索基于渦旋光和常溫BEC的波粒渦旋陀螺具有重要理論意義和極高的應用價值。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題是：針對現有陀螺儀超高精度超高靈敏度和小體積之間的技術瓶頸，通過級聯渦旋光量子陀螺裝置與半導體微腔量子阱常溫BEC裝置，提出波粒渦旋陀螺新概念，有效解決現有陀螺在結構、體積和穩定性上存在的突出問題。本專利技術的技術解決方案是：級聯渦旋光與常溫BEC，利用渦旋光產生常溫BEC的渦旋疊加態，將渦旋光的軌道角動量耦合到渦旋態常溫BEC中， 同時也將渦旋光軌道角動量中所攜帶的待測信息傳遞到常溫BEC中；量子阱中常溫BEC渦旋態物質波會隨著平臺轉動發生干涉現象，通過檢測系統檢測其相位變化，即可解析待測姿態角速率信息。渦旋光在傳播過程中，其波陣面會繞著傳播方向以螺旋的方式前進，每個光子具有大小的軌道角動量，其中l為渦旋光光束的拓撲荷數。通過級聯渦旋光慣性測量裝置與半導體微腔量子阱裝置，將攜帶有軌道角動量的渦旋光映射進半導體微腔的激子極化激元凝聚態中，產生高穩定性渦旋疊加態的常溫BEC；半導體微腔量子阱與平臺固連，會隨著平臺的旋轉而轉動，常溫BEC的兩個渦旋-反渦旋疊加態物質波的相位會發生變化，出現干涉條紋的移動，通過檢測系統獲得待測數據，處理后即可得到相應的平臺角速率及相關信息。波粒渦旋陀螺的頻移是渦旋光和常溫BEC渦旋頻移的耦合疊加，對于其靈敏度有激增放大的作用，因此可利用波粒級聯實現陀螺的超高精度和超高靈敏度測量。本專利技術有以下三個關鍵點：(1)渦旋光慣性測量方法渦旋光是具有螺旋型相位波陣面和相位奇點的光束，其主要特點是具有螺旋型的相位分布，如圖1所示，圖中l為渦旋光束的拓撲荷數。渦旋光在傳播過程中，其波陣面會繞著傳播方向以螺旋的方式前進，每個光子具有大小的軌道角動量。利用渦旋光的軌道角動量和螺旋波陣面可實現角速率的高精度高靈敏度測量。基于渦旋光的慣性測量方法如圖2所示，圖中螺旋相位板即可實現渦旋光的產生。該方法利用渦旋光旋轉多普勒效應，將渦旋光產生裝置和測量裝置引入到載體上，載體的轉動使得渦旋光產生裝置和渦旋光束發生轉動，產生旋轉多普勒效應，再通過檢測解析裝置可精確測量出載體在一個維度上的旋轉角速率。該方法具有以下優點：系統架構簡單，所用儀器較少并且靈敏 度與光路長度無關，體積小，重量輕；未使用反光鏡并且用渦旋光自成微納光路代替光纖，不存在光纖折射率變化引起的相位漂移現象和反射鏡形成的閉鎖域；決定渦旋光慣性測量方法靈敏度的軌道角動量理論上可以做到無窮大，因此隨著制備方法和加工工藝的快速發展，渦旋光慣性測量方法的精度和靈敏度提升將有巨大潛力。(2)常溫BEC光子與激子(庫侖力束縛的電子-空穴對)發生耦合作用，產生一種新的元激發，稱為激子極化激元。激子極化激元是在半導體微腔中產生的，該微腔包括兩塊DBR(布拉格反射鏡)，中間是三明治結構的量子阱。量子阱結構中間是很薄的半導體薄膜，外層利用分子束外延或金屬有機物化學汽相沉淀法外延生長一層較厚膜。隨著半導體量子阱制備技術的發展，目前已經能夠在常溫條件下實現激子極化激元凝聚態。通過對激子極化激元凝聚態的深入研究，已實現利用渦旋光產生常溫BEC渦旋疊加態技術。(3)渦旋光與常溫BEC的級聯激增波粒渦旋陀螺是利用攜帶有待測信息的渦旋光產生常溫BEC的渦旋疊加態，將渦旋光的軌道角動量耦合到渦旋態常溫BEC中；量子阱中常溫BEC渦旋疊加態物質波會隨著平臺轉動發生干涉現象，最后通過檢測系統檢測相位變化解析待測信息。其主要特點是波粒渦旋陀螺的頻移是渦旋光和常溫BEC渦旋頻移的耦合疊加，利用粒子物質波高精度檢測來實現對渦旋光慣性測量方法的激增放大作用，最終實現波粒渦旋陀螺的超高精度和超高靈敏度。本專利技術的原理是：渦旋光是具有螺旋型相位波陣面和相位奇點的光束，其主要特點是具有螺旋結構的相位分布，如圖1所示，圖中l為渦旋光束的拓撲荷數。渦旋光可自成微納光路，即其螺旋前進形成的環形對稱光路。利用渦旋光的這一特性可以將光纖陀螺中利用光纖纏繞形成的螺旋光路或激光陀螺中的對稱光 路替換成渦旋光自成的微納光路。由于渦旋光波陣面傳播方式的特殊性，因此基于渦旋光的旋轉多普勒效應，可實現對待測載體的角速率高靈敏度測量，如圖2所示。旋轉多普勒效應公式為：Δω＝lΩ式中，l是表征軌道角動量大小的拓撲荷數，Ω為飛行體旋轉角速度，Δω是角頻率移動。激子極化激元是一種光子與激子發生耦合作用后產生的新的元激發。常溫BEC是指激子極化激元波色-愛因斯坦凝聚態。激子激元可在半導體微腔中產生，半導體微腔結構包括兩塊DBR(布拉格反射鏡)，中間是三明治結構的量子阱，量子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
波粒渦旋陀螺，其原理是級聯渦旋光與常溫玻色?愛因斯坦凝聚(BEC)，利用渦旋光產生常溫BEC的渦旋疊加態，將渦旋光的軌道角動量耦合到渦旋態常溫BEC中，同時也將渦旋光軌道角動量中所攜帶的待測信息傳遞到常溫BEC中；量子阱中常溫BEC渦旋態物質波會隨著平臺轉動發生干涉現象，通過檢測系統檢測其相位變化，即可得到姿態角速率信息。

【技術特征摘要】
1.波粒渦旋陀螺，其原理是級聯渦旋光與常溫玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)，利用渦旋光產生常溫BEC的渦旋疊加態，將渦旋光的軌道角動量耦合到渦旋態常溫BEC中，同時也將渦旋光軌道角動量中所攜帶的待測信息傳遞到常溫BEC中；量子阱中常溫BEC渦旋態物質波會隨著平臺轉動發生干涉現象，通過檢測系統檢測其相位變化，即可得到姿態角速率信息。2.根據權利要求1所述的波粒渦旋陀螺，其特征在于：渦旋光在傳播過程中，其波陣面會繞著傳播方向以螺旋的方式前進，每個光子具有大小的軌道角動量，其中l為渦旋光光束的拓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任元，成蕊，謝璐，姚靜波，王剛，劉正良，林源，
申請(專利權)人：任元，
類型：發明
國別省市：北京;11