A mobile high-precision gravimeter based on atom interferometry [Elektronische Ressource] / Malte Schmidt. Gutachter: Achim Peters ; Guglielmo M. Tino ; Beate Röder

Dipl.-Phys. Malte Schmidt

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• Physik

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 28
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 29 Mo

Extrait

A mobile high-precision gravimeter based on atom
interferometry
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
do ctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Malte Schmidt
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter/innen:
1. Prof. Achim Peters, Ph.D.
2. Prof. Guglielmo M. Tino
3. Prof. Dr. Beate Röder
Tag der mündlichen Prüfung: 2. November 2011Abstract
Since 1991, matter wave interferometry has been used in many laboratories for a
varietyoffundamentalphysicsexperiments, e.g. measurementofthefine-structure
and gravity constants or equivalence principle tests. This new technique is also
ideally suited for high-accuracy geophysical gravity measurements. However, due
to the complexity of these experiments they were so far confined to laboratory en-
vironments. Only in recent years efforts have been undertaken to develop mobile
atom interferometers. These new sensors now open up the possibility to perform
on-site high-precision measurements of rotations, gravity gradients as well as ab-
solute accelerations.
This work reports on the design, construction and first tests of an absolute
87gravimeter. It is based on interfering ensembles of laser cooled Rb atoms in
a one meter high atomic fountain configuration. Local gravity is measured by
applyingthreeRamanlightpulseswhiletheatomsareinfreefall, therebysplitting
and recombining the atomic wave packets. The resulting interference fringes are
sensitive to the movement of the atoms within a gravitational potential.
We have measured the value of local gravity g at a resolution of one part in√
10 −7 210 at an integration time of 12 hours, or 2.2· 10 m/s / Hz. This was high
enough to be sensitive to a number of time varying gravity effects like tides, ocean
loading or changes in gravity caused by air pressure. In a comparison under
similar measurement conditions, the instrument has surpassed the performance of
conventional mobile gravimeters by almost one order of magnitude.
Keywords: Atom interferometer, atomic fountain, absolute gravimetry, high
precision measurements
iiiZusammenfassung
Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nach-
gewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenfor-
schung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bis-
her unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich
könnenauchgeophysikalischeVermessungendesSchwerefeldesderErdevondieser
neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente auf-
grund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit
der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise
Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebe-
schleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstru-
87iert und getestet. Es basiert auf Rb-Atomen, die in einer Vakuumumgebung
gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt wer-
den. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles
durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwere-
beschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden,
die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind.
Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung,g, mit einer Auflösung
10von 1 : 10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht√
−7 22,2· 10 m/s / Hz.MitdieserGenauigkeitkonntenbereitszeitlicheVeränderun-
gen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Viel-
zahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen.
In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument
die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren
Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter.
Schlagwörter: Atominterferometer, Atomfontäne, Absolutgravimetrie, Hoch-
präzisionsmessungen
ivContents
1 Introduction to gravimeters based on atom interferometry 1
1.1 Gravity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 An atom interferometer as a tool to measure g . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Earth-bound gravimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Portable high-precision atomic gravimeters . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Satellite gravimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Applications of Atom-Based Inertial Sensors . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3 Space Atom Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Organization of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Atom interferometer theory 21
2.1 Raman pulse theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 Time evolution of a two-level atom in a light field . . . . . . . . 21
2.1.2 Propagation of atomic wave packets . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3 Extension to three-level system and Raman transitions . . . . . . 25
2.1.4 Light shift for rubidium-87 Raman transitions . . . . . . . . . . . 29
2.2 Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Interferometer sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Separation of phase contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Matrices formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 Sensitivity to noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Raman laser phase noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Vibrational noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Experimental setup 43
3.1 Main chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Vibration isolation stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Laser system 49
4.1 Laser sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Linewidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 Mode selection and tunability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.3 Design and specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.4 Optical amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 System concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.1 Mechanical requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
vContents
4.2.2 Optical requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Reference Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.1 Optical setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 Frequency stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Cooling Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Module 1: Laser sources and frequency stabilization . . . . . . . 72
4.4.2 Module 2: Light shifting and distribution . . . . . . . . . . . . . 77
4.5 Raman Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.1 Optical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.2 Low-noise optical phase lock loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.3 Phase noise limits to gravimeter sensitivity . . . . . . . . . . . . 90
5 Experimental procedure and results 95
5.1 Timing sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.1 Magneto-Optical Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.2 Launch and velocity selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.3 State selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.4 Interferometer pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.5 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2 Deducing a value for g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.1 Procedure and calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.2 Corrections and accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3 First on-site high-precision gravity measurement . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.1 Measurement site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6 Conclusion and outlook 117
A Component listings and circuit design 119
B Rubidium 87 data 123
C Abbreviations 125
D Publications 127
Acknowledgement 129
Bi