W.W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Stanford, CA 94305 Navigation, Gravitation and Navigation, Gravitation and Navigation, Gravitation and Navigation, Gravitation and Cosmology with Cold Atom Sensors Cosmology with Cold Atom Sensors Cosmology with Cold Atom Sensors Cosmology with Cold Atom Sensors Atom Atom Interferometry Atom Atom Interferometry Group Interferometry Interferometry Group Group Group Stanford Center for Position, Navigation and Time Stanford Center for Position, Navigation and Time Stanford Center for Position, Navigation and Time Stanford Center for Position, Navigation and Time Mark Kasevich Mark Kasevich Mark Kasevich Mark Kasevich
GGI,�2006 de�Broglie wave�sensors Gravity/Accelerations Rotations As atom climbs gravitational potential, Sagnac effect for de Broglie waves velocity decreases and wavelength increases (longer de Broglie A wavelength) g Current�ground�based�experiments�with�atomic�Cs:���������������� wavepacket spatial�separation�~�1�cm,�phase�shift�resolution�~�10 –5 rad
GGI,�2006 (Light)pulse)�atom�interferometry ����������������� �������������� ����������� Momentum�conservation�between� atom�and�laser�light�field�(recoil� effects)�leads�to�spatial�separation� of�atomic�wavepackets. | 2 〉 〉 〉 〉 | 1 〉 〉 〉 〉 2)level�atom Resonant�traveling� wave�optical� excitation,� (wavelength� λ )
GGI,�2006 Enabling�Science:�Laser�Cooling ���������������������������������� ��������������������������������� ���������������������������������� ������� �������������� Laser�light�is� used�to�cool� atomic�vapors�to� temperatures�of� ~10 )6 deg�K. ���������������������������������
GGI,�2006 Laboratory�gyroscope � ! ������������ "�������� ������ ������� ��������� ��� �� µ µ ������ ��� µ µ ���������������� ����� µ µ ������ µ µ �����!������� ��"���� ���������������������������
GGI,�2006 Laboratory�gravity�gradiometer 10 -1 ����� σ y (τ) 10 -2 � � � � � �#$�� � " � � � � 10 -3 � � � 10 2 10 3 10 4 � � � � τ (s) Demonstrated�differential� acceleration�sensitivity: ����� 4x10 )9 g/Hz 1/2 #��������������������������� (2.8x10 )9 g/Hz 1/2 per� �������������������������������� accelerometer) ���������������������������������� ��������������������������
GGI,�2006 Gravity�Gradiometer:�Measurement�of�G $� ��������������������������������� ����������������������%��� Yale,�2002�(Fixler PhD�thesis) &�������� δ δ δ ����������� ��������������� δ ���������������&��������'���(�)�*��
���������������������� �����&�'�� �%��������������� ��������������� � ����������������� � & � � � ��������' � &( ��)* �! � ������"�������� � & !� �% �����&�'�� �%����������� ��������������� � �������������������� µ ������ �% � �������������� µ ������ �! � ������"���������#�$$% Source:�Proc.�IEEE/Workshop�on� Autonomous�Underwater�Vehicles
Navigation�performance Determine�geo)located� platform�path. Necessarily�involves�geodetic� inputs Simulated�navigation�solutions.� 5�m/hr�system�drift�demonstrated.
+�%$�������,����������%������������$����������%���� Interior�view Multi)function�sensor�measures� gravity�gradient,�rotation�and� linear�acceleration�along�a�single� input�axis. Laser�system
�������������������������-������%� ��� ������ +�������������������.��%��� ������������������������� ��������� ������ /�����.��%������������ ��������� ������ �������������������-��� $��,�����������.���!&�� �������������
GGI,�2006 Next�generation�integrated�INS/GPS G e n e r a liz e d V e c to r D e la y L o c k T r a c k in g N a v ig a tio n S y s te m s a te llite n a v ig a tio n s ig n a ls `` ` ` C o r d in a te K a lm a n tr a n s la to r F ilte r ` ` ` ` c lo c k b e a m s te e rin g IM U a n te n n a p a ra lle l c o rre la to r g e n e ra liz e d b a n k K a lm a n filte r a to m ic in e rtia l c h ip s c a le a to m ic m e a s u re m e n t c lo c k u n its In te g r a tio n o f R F s a te llite , in e r tia l, a n d c lo c k s e n s o r s in to o n e q u a s i-o p tim a l N a v ig a tio n , A ttitu d e , T im e e s tim a to r Atomic�physics� &��������+����������$�������(�,��������������'����� contributions ����������������������$���-���(�.���&���/��
�$���&�������$$��������� • 0���.��%�1�������-$$�������� – )���������-���������&�.&�������%������.��%��$��� – 2���������������*������.�����'�&������������������$�� ���������������.�������%$���������������� � & � �����-�������,�� • – 30�������������������%$�������� – 0������&��$���'$���%��� � �-����%�-��,���������,�������4�.��%������.����� �������������������� ) 8�3����-�%��������,�������� ) ;��$���/�&533����� ) /�������������$�)�3� �)�%��$������������������ "�����������3� /�&5336� ����� �7 & ���)*� 2":3 ��-������028���9!& #
�$���&���������������������-������������ 100�m�– 100�km Accelerometers 300�km Earth Accelerometer�sensitivity:�10 )13 g/Hz 1/2 − Long�free)fall�times�in�orbit Measurement�baseline GOCE�mission,�4x10 )3 E − 100�m��(Space�station)� − 100�km�(Satellite�constellation) Sensitivity: − 10 )4 E/Hz 1/2 (Space�Station) − 10 )7 E/Hz 1/2 (Satellite�constellation) ����������������������������������� ���������� http://www.esa.int/export/esaLP/goce.html
8<-�,�������0�����$�� Co-falling 85 Rb and 87 Rb ensembles Evaporatively cool to < 1 µ K to enforce tight control over kinematic degrees of freedom Statistical sensitivity 10 m δ g ~ 10 -15 with 1 month data collection Systematic uncertainty δ g ~ 10 -16 limited by magnetic field inhomogeneities and gravity anomalies. Also, new tests of General Relativity 10�m�atom�drop�tower. ����������������� $��������������������������0������ ����������� !" �������
Recommend
More recommend