利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长（～10-7米），所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。根据光的干涉原理制成的一种仪器。将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，前者有瑞利干涉仪 、迈克耳孙干涉仪及其变型泰曼干涉仪、马赫-秦特干涉仪等，后者有法布里-珀罗干涉仪等。干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：①长度的精密测量。在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。②折射率的测定。两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。③波长的测量。任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准，利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准，从而通过比较法确定其他光谱线的波长。④检验光学元件的质量。泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。⑤用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大，因而有极高的光谱分辨率，常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。⑥历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播，这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确，其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。 1851年，A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验，以验明运动介质是否曳引以太。1887年，A.A.迈克耳孙和E.W. 莫雷合作利用迈克耳孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证 实验用迈克尔逊干涉仪测量激光波长一、目的：1、熟悉迈克尔逊干涉仪的主要结构，掌握其调节方法。2、观察等厚干涉、等倾干涉、非定域干涉的形成条件及条纹。二、仪器及用具:1、迈克尔逊干涉仪；2、He－Ne 激光器；3、毛玻璃；4、透镜；5、白光光源。三、迈克尔逊干涉仪： 迈克尔逊干涉仪在光学实验和计量技术中有着广泛的应用。例如：可用它测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较大的长度作精密长了测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等。随着应用的需要，迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路如图2所示。图中S为光源，G1、G2为平行平面玻璃板，G1称为分束镜，在它的一个表面镀有半透半反射金属膜A，G2称为补偿板。M1、M2为互相垂直的平面镜。M1、M2与G1、G2均成 角。 表2 干涉仪各部件名称及作用序号部件名称作用注意事项1底座调节螺钉（三个）调节仪器水平 2铸铁底座承载体 3精密丝杠（螺距为1mm）精密调节平面反射镜M1的移动精密丝杠如受损，仪器精度下降，甚至仪器报废，使用中动作要轻、慢。4机械台面承载体5导轨承载平面反射镜M1前后移动6平面反射镜M1（动镜）反射光线镜面勿碰！7反射镜调节螺钉（各三个）调节平面反射镜的空间取向调整时动作要轻、慢。8平面反射镜M2（固定）反射光线镜面勿碰！9分束镜G1将一束光分解为二束分束镜G1和布偿板G2在光路中已严格校准，勿碰！10布偿板G2补偿作用，保证二束光光程相等11读数窗 12齿轮系统传动装置操作时动作要轻、慢。13手轮控制平面反射镜M1的移动转1分格M1镜平移 mm14水平方向拉簧螺丝精细调节反射镜M2在该方向的倾斜度调整时动作要轻、慢。15微动鼓轮精密控制平面反射镜M1的移动转1分格M1镜平移 mm16垂直方向拉簧螺丝精细调节反射镜M2在该方向的倾斜度调整时动作要轻、慢。1. 本实验室常用的WSM－200型迈克尔逊干涉仪的主要技术规格： a、动镜移动范围：200mm。 b、动镜移动的最小读数0.0001mm。 图 12. 在读数与测量时要注意以下两点： a、转动微动鼓轮时，手轮随着转动，但转动手轮时，鼓轮并不随着转动。因此在读数前应先调整零点，方法是：将微动鼓轮沿某一方向（例如顺时针方向）旋转止零，然后以同方向转动手轮使之对齐某刻度。这以后，在测量时只能仍以同方向转动鼓轮使M1镜移动，这样才能使手轮与鼓轮二者读数互相配合。b、为了使测量结果正确，必须避免引入空程，也就是说，在调整好零点以后，应将鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。c、 图 2为了延长迈克尔逊干涉仪的使用寿命，以免反射镜长时间受到形变压力，实验完毕，需将反射镜背面的三颗调节螺丝调至自然放松状态。四、实验原理：1、迈克尔逊干涉仪的定域干涉现象： 迈克尔逊干涉仪的光路如图2所示，从准单色光源S发出的光，被平行平面玻璃G1的半反射面A分成互相垂直的两束光（图中的光束（1）和光束（2））。这两束光分别由平面镜M1、M2反射再经由A形成互相平行的两束光，最后通过凸透镜L在其焦面上P点叠加。G2是一块补偿板，其材料的厚度与G1完全相同，且两者严格平行放置。它的作用是补偿光束（2）的光程。因为光束（2）在色散材料G1中只通过一次，而光束（1）在G1中通过三次。只有在放入补偿板后，当M1与M2严格对称于反射面A放置时，光束（1）与（2）对任何波长的光的光程差为零，因此在观察白光干涉条纹时必须 放上补偿板，否则将看不到干涉条纹。设M2＇是M2在半反射面A中的虚象，显然光线经M2的反射到达P点的光程与它经虚反射面M2＇反射到达P点的光程严格相等，故在焦面上观察到的干涉条纹是由M1及M2＇之间的空气层两表面的反射光叠加所产生的。当M1与M2严垂直时，也即M1平行于M2，就会在L的焦面上看到等倾干涉条纹，其形状为一组同心圆，又若L的主光轴与镜面M1垂直，则圆心在焦点F上。光束（1）与（2）在P点的光程差为： ……………………………（1）式中d为M1与M2＇间的空气层厚度，i为射向P点的光束（1）与M1法线之间的夹角，干涉级次在圆心处（i=0）最高，若圆心处恰为一亮点，则该点的级次m与d之间的关系为： ………………………………（2） 图 3旋转干涉仪上精密丝杆，可使M1沿平直导轨前后平移，当d增大时，干涉环中心级次就会相应增加，于是可观察到干涉环逐个从中心冒出来，反之，当d减小时，干涉环逐个向中心缩进去，每变化1个条纹，（即干涉仪中心由亮→暗→亮或由暗→亮→暗）d就变化 距离。由此可以精密地测量长度或光波波长。 如果M1和M2＇靠的很近，且相互间有一个很小的楔角时，即可观察到等厚干涉条纹，条纹定域在空气层上（或在其附近），条纹形状是一组平行于楔棱的直条纹。随着M1与M2＇间距离增大，由于入射角的变化带来影响，使条纹弯曲，并凸向楔棱一边，观察等厚条纹时，可直接用眼睛向空气楔调焦，也可用凸透镜将空气楔成象在其共轭面上。2、迈克尔逊干涉仪的非定域干涉现象： 近来由于用激光作光源，故亦可观察到迈克尔逊干涉仪的非定域干涉现象，在图3中，激光通过短焦距透镜L，会聚成一个强度很高的点光源S，同时其发散角增大了许多倍，尔后入射到迈克尔逊干涉仪。A即为G1的半反射面（G1略去未画出），S’是点光源S经过半反射面所成的虚象，S1’是S’经M1所成的虚象，S2’是S’经M2＇所成的虚象。显然S1’、S2’是一对相干光源，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，故这种干涉称为非定域干涉。观察屏C上任一点P的光强取决于S1’和S2’至该点的光程差： 由于光程差相同点的光强相同，故干涉条纹是一组旋转双曲面与观察屏相交所形成的曲线，其旋转轴就是S1’和S2’的连线。当观察屏C垂直于S1’S2’轴线时，即能看到一组明暗相间的同心圆干涉条纹，其圆心为S1’S2’轴线与屏的交点P0，P0处的光程差 可以证明，屏上任意点的光程差： ………………………（3）式中i为S1’射到P点的光线与M1法线之间的夹角。式（3）与定域情况的（1）式相同。当M1与M2＇之间距离d连续改变时，同样可以看到圆心处有条纹向外冒出（或缩进）。故在屏C上将看到一组弧形条纹。四、实验内容：1、观察激光的非定域干涉现象；2、观察定域干涉现象：a、等倾干涉；b、等厚干涉；五、实验步骤：1、点亮He－Ne激光器，使激光稳定出光半小时侯后再测量。观察部分：2、使He－Ne激光束大致垂直于M2，在C处放一块毛玻璃屏，即可看到两排激光光斑，每排都有几个光点，这是由于G1上与反射面相对的另一侧面的平玻璃面上亦有部分反射的缘故。调节M2背面的三只螺丝，使两排中两个最亮的光斑大致重合，则M2＇与M1平行。3、用短焦距透镜扩展激光束，即能在屏上看到弧形条纹，再调节M2镜座下的微调螺丝，可使M2＇与M1趋向严格平行，而弧形条纹逐渐转化为圆条纹。4、另一种调节方法是：使细激光束穿过小孔光阑后，再照射到干涉仪的半反射镜上。调节M1使反射回来的一排光斑中最亮点返回小孔光阑，即可使M2＇与M1平行。在弧形条纹变为圆条纹的调整过程中，应仔细考察条纹的变化情况，根据条纹形状来判断M2、M1间的相对倾斜，从而确定调节哪几个螺丝，是放松还是拧紧等等。5、改变M2＇与M1之间的距离，根据条纹的形状，宽度的变化情况，判断d是变大还是变小，记录条纹的变化情况。解释条纹的粗细、密度和d的关系。6、把毛玻璃放在透镜L的前面，使球面波经过漫反射成为扩展光源（面光源）必要时可加两块毛玻璃。用聚焦到无穷远的眼睛直接观察可以看到的圆条纹。7、接着调节M2的微调螺丝，使眼睛上下左右移动时，各圆条纹的大小不变，而仅仅是圆心随眼睛的移动而移动，这时我们看到的就是定域干涉条纹现象中的等倾干涉条纹了。8、转动M1镜传动系统使M1前后移动，观察条纹变化的规律（和非定域干涉要求相同）。9、移动M1镜使M1镜与M2＇大致重合，调M2的微调螺丝，使M2＇与M1有一很小的夹角，视场中出现直线干涉条纹，干涉条纹的间距与夹角成反比，夹角太大，条纹变得很密，甚至观察不到干涉条纹，这时我们看到的就是定域干涉现象中的等厚条纹了。取条纹的间距为1mm左右，移动M1镜，观看干涉条纹从弯曲变直再变弯曲的过程。测量部分：10、调节出等倾干涉条纹后，从某一位置开始缓慢移动M1镜，改变d的大小，并对干涉条纹的变化进行计数，当N≥500时，停止移动记下干涉仪读数窗口的示值△d，则He －Ne激光的波长即为 ，按上述步骤重复三次，计算He－Ne激光的波长。 六、思考题：1、 如果不用激光光源，从一开始就用钠光，试拟定调出等倾干涉条纹的主要步骤
微观世界的粒子都具有波粒二相性。德布罗意波（物质波）波长λ＝h/mv，与粒子的动量呈反比。室温原子因为平均速度达到几百米每妙，其德布罗意波长为很小，大约为10-12米量级，原子大多处在不同的量子态上，相干长度很短，难以形成干涉。冷原子最低温度可达到几个纳K，平均速度可达到几厘米每秒，德布罗意波长约为10-7米量级，相干长度很长，能够宏观观测到相干现象。当碱金属原子被大量冷却到最低能态上从而产生玻色－爱因斯坦凝聚时，这些最低能态原子会产生物质波干涉，这是人类第一次观察到事物粒子的物质波干涉现象。
主要应用领域：原子干涉仪。
干涉测量技术目前普遍采用的是两束激光之间的干涉。由于光子基本不受重力影响，难以用激光精确测量重力。原子受重力作用十分明显，因此原子干涉仪可以有效低测量重力微小变化，以及引力波等等，将是未来航空航天技术必不可少的设备。
原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的主要因素。冷原子由于速度很小温度很低，原子间的碰撞远远少于热原子，因此能级宽度远小于热原子，具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱，这对原子能级以及各种常数的精确测量具有重要意义。国际上已开展冷原子激光放大器的研究，获得了线宽远非常窄，单色性非常好的激光谱线。
主要应用：冷原子钟
原子钟的精度取决于原子能级的精确程度。目前原子钟主要采用原子精细能级跃迁作为频率标准。由于冷原子的能级精度远远优于热原子，冷原子钟会输出更为精准的频率，因此会将人类的时间精度大幅度提高，对人类的时间标准和距离标准起到革命性的改进，是未来全球定位系统和宇宙空间定位系统的核心技术。目前欧洲“伽利略”全球定位系统计划决定逐步采用冷原子钟，美国也计划应用冷原子钟来大幅度改善GPS系统的性能。冷原子钟的研制将有着极其深远的军事和科技意义。
在微观尺度上操纵原子分子，按人类的意愿改变原子分子间的排列组合，长久以来是人类的一个梦想。在凝聚态物理领域前沿的表面物理中，依靠扫描隧道显微镜技术可以移动和控制一些原子的位置，但无法脱离样品表面完成对原子分子的俘获。激光冷却技术恰恰弥补了这个缺陷。例如我们可以利用激光俘获我们需要的原子，再用激光将其输送到需要的地方，组合成新的分子或凝聚态物质。我们甚至可以利用激光俘获大生物分子如DNA等，取代上面某些原子，从而改善动物或人类的基因，这将引起分子生物学上的一次重大革命。
目前德国马普学会量子光学研究所（MPQ）的科学家在欧洲核子中心（CERN）启动了一个项目，内容是利用激光冷却技术俘获反氢原子，研究它和氢原子间的异同。这个项目成功之日将是人类控制并利用反物质的开端。
斯坦福大学地下室深处藏着一根10米高的管子，它被包裹在一个金属笼子里，并用电线覆盖着。一道屏障将它与主房间隔开，在主房间之外，圆柱体跨越三层楼高，成为一个容纳超冷原子的装置，准备向上发射。堆满激光向原子发射的桌子（并分析它们对引力等力的反应）填满了实验室的其余部分。该管是一个原子干涉仪，一种定制的装置，设计用于研究原子的波性质，根据量子力学，原子以粒子和波的形式同时存在。这个仪器可以用来探测引力波，引力波是天文物体产生时空扰动的微小涟漪（如中子星碰撞合并等）。该仪器还可以揭示宇宙的另一个奥秘：暗物质。起初斯坦福大学实验物理学家Jason Hogan和Mark Kasevich从未打算让他们的设备以这种方式实现。当Hogan开始他在Kasevich实验室的研究生学习时，他转而专注于测试引力对原子的影响。但与理论物理学家、物理学教授Savas Dimopoulos和研究生们的谈话（经常被卡塞维奇办公室对面大厅里的一台浓缩咖啡机引诱下楼）让他们开始考虑它作为高灵敏度探测器的用途。斯坦福大学人文与科学学院物理学和应用物理学教授Kasevich说：我们只是在谈论物理学，就像物理学家经常做的那样。一件事导致了另一件事，这个小组达成了一个大胆的计划：创造一个原子干涉仪，能够探测到以前没有人见过的引力波。其想法与另一股席卷物理学的浪潮相契合，这股浪潮包含了为其他目的而开发的精致灵敏的仪器，以回答关于自然的基本问题。早在2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了两个超大质量黑洞之间13亿年碰撞的简短信号。从那时起，LIGO已经编目了更多穿过地球的引力波，为天文学家提供了一个研究宇宙的强大新镜头。引力波是时空中的涟漪，很像海浪，只不过它们扭曲了空间，而不是水。理论上，任何加速的质量，无论是挥动的手还是轨道上的行星，都会产生引力波。然而，这些运动发生在远低于我们探测它们能力的水平上。只有来自巨大天文现象的引力波才会引起足够大的时空变化，以至于地球上的传感器都可以识别它们。正如不同的频率构成电磁频谱一样，引力波也是不同的。LIGO和其他电流引力波探测器探测到一个非常窄的范围（高频波，比如两个黑洞碰撞时的高频波）但引力波谱的其他部分仍未被 探索 。就像天文学家可以通过研究恒星的紫外光和可见光来了解新情况一样。分析其他引力波频率数据可能有助于解决目前无法触及的太空之谜，包括关于早期宇宙的奥秘。人文与科学学院(School Of Humanities And Sciences)的物理学助理教授霍根(Hogan)说：发现了一个光谱区域，其他任何探测器都没有很好地覆盖，它恰好与我们已经在开发的方法相匹配。建造了10米高的原子干涉仪来测试这些想法。然而，为了提高设备的灵敏度（探测小于质子宽度的时空摆动所必需）需要一个更大的探测器。因此，100米的物质波原子梯度计干涉传感器，或称MAGIS-100，实验诞生了。在戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon And Betty Moore Foundation)980万美元赠款的帮助下，科学家们计划在位于伊利诺伊州的能源部国家实验室Fermilab建造一个现有地下竖井，Magis-100的新家。费米实验室参与该项目的高级科学家罗布·普朗克特(Rob Plunkett)说：可以在地面上找到洞，但要在地面上找到一个连接实验室的洞有点困难。从概念上讲，Magis-100的工作方式与LIGO类似，这两个实验都利用光来测量两个测试质量之间的距离，就像雷达测距一样。但是，虽然LIGO有镜子，但Magis-100更倾向于原子。事实证明，原子对于这些目的来说，是一个令人惊异的测试质量。科学家们有非常强大的技术来操纵它，让它对所有背景噪声源都不敏感。LIGO的镜子挂在玻璃线上，这意味着地震可能会触发它的传感器。另一方面，MAGIS-100在某些地方有措施防止这些外来噪声源影响其数据。在被冷却到绝对零度以上的程度后，原子就像从水龙头滴落的水滴一样垂直下降到轴中。寒冷的温度使原子处于静止状态，因此它们在下降时保持不动，因为轴是真空的，原子直线下降，没有偏离轨道的风险。竖井的垂直方向也确保了震动的地球不会影响测量。然后，激光操纵下降的原子，研究小组可以测量它们处于激发状态的时间。Hogan和Kasevich希望使用锶作为测试质量（与原子钟中使用的元素相同）以确定当光激发原子时是否存在任何时间延迟，延迟将表明引力波通过。此外，Magis-100科学家可以使用原子数据来测试暗物质模型做出的预测。根据一些模型，暗物质的存在可能导致原子能级变化，超灵敏的激光技术允许Plunkett和合作者寻找这些变化。 Magis-100是一个原型，朝着建造一个更大的设备迈出了又一步，它的灵敏度要高出许多倍。Hogan和Kasevich表示，设想有一天能在LIGO的规模上建造一些东西，LIGO长4公里。因为未来的全尺寸Magis-100应该能探测到1赫兹左右的低频引力波，比如从两个围绕彼此旋转黑洞发射的引力波，所以它可以识别出LIGO已经看到的相同事件，但在质量真正碰撞之前。因此，这两个实验可以相辅相成。可以制造一个探测器，可以看到同样的系统，但要年轻得多。先进的Magis式探测器也可能发现LIGO雷达下飞行的引力波来源。例如，原始引力波在大爆炸之后产生。探测起源于早期宇宙的引力波可以揭示实际发生的事情。没有人知道这些原始引力波的频率，也没有人知道未来的大规模探测器能否探测到它们。科学家认为应该建立尽可能多的探测器，以便覆盖广泛的频率范围，并简单地看到外面有什么。令人兴奋的已知来源是这些类似LIGO的来源，然后是未知的，我们也应该对此持开放态度。
激光干涉仪是利用迈克尔逊干涉原理研制而成，用于几何精度测量的一种静密仪器，其可测量线性长度、直线度、垂直度、平行度、平面度、角度等等，广泛用于数控机床、自动化设备、直线电机、DD马达、线性模组、电动平台以及三坐标、影像仪等精密仪器精度检测和校准。
原子干涉仪是通过对原子波包相干操作而实现的。原子干涉仪的实现一般分为几个步骤：原子初态制备、原子波包相干分束、原子波包自由演化、原子波包相干合束、原子内态布居数的探测和原子外态信息的提取。在原子干涉仪中要对原子波包相干地分束和合束，并保证原子波包在自由演化过程中保持其特性。操作原子波包的方式有微结构的光栅、激光驻波衍射光栅结构、狭缝和受激拉曼(Raman)跃迁等。
原子干涉仪已经被广泛地应用于大地测量、惯性导航、广义相对论检验、基本物理常数确定等。
高微重力科学实验柜助力基础科学研究，悬浮实验台。天宫课堂上，我们看到这样一段视频：叶光富用手轻轻推动悬浮实验台，实验台并没有飘走，而是略微移动后又回到原位。悬浮实验台是高微重力实验柜的核心部件，采用双层结构设计。内层采用的是磁悬浮技术，外层采用喷气控制，既可以在实验柜体内进行实验，又可以在柜体外进行实验。叶光富在太空授课中讲到，在高微重力环境下,科学家利用冷原子干涉仪对原子进行加速度测量比对，可以对爱因斯坦广义相对论中的等效原理进行高精度检验，这些都是基础科学领域的前沿性研究。高微重力科学实验柜副主任设计师王蜀泉补充道，高微重力科学实验柜未来还可以开展微重力流体动力学及材料科学研究，惯性和加速度传感器研究等领域的实验。
为了对我们周围的世界进行一些最精确的测量，科学家们倾向于使用一种称为原子干涉术的技术，将测量范围缩小到原子尺度。 现在，科学家们首次使用专门设计用来将科学有效载荷携带到低地球空间中的探空火箭，在太空中进行了这种测量。对于从基础物理学到导航领域的科学应用，这是朝着能够在太空中执行物质波干涉测量法迈出的重要一步。 科研人员已经在探空火箭上建立了原子干涉技术的技术基础，并证明了这样的实验不仅可以在地球上进行，而且可以在太空中进行。 干涉测量是一个相对简单的概念。取两个相同的波，分离它们，重新组合它们，然后用它们之间的微小差异（称为相移）来测量产生这个距离的力。 这称为干涉图样。一个著名的例子是LIGO的光干涉仪，它测量引力波：一束光被分成两个数英里长的隧道，从镜子上反弹并重新组合。由此产生的干涉图样可以用来探测数百万光年外黑洞相撞产生的引力波。 原子干涉法利用原子的类波特性，实现起来有点困难，但有一个小得多的优点。它将在太空中非常有用，在太空中它可以用来测量像重力这样的物体，达到很高的精度；因此，一个德国研究小组多年来一直在努力实现这一目标。 第一步是创造一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态。它们是由原子冷却到绝对零度以上的一小部分（但没有达到绝对零度，此时原子停止运动）形成的。这导致它们下沉到最低能量状态，移动极慢，并在量子叠加中重叠——产生一个高密度的原子云，就像一个“超级原子”或物质波。 这是干涉测量的一个理想起点，因为原子的行为都是相同的，该团队在2017年首次使用探空火箭，用铷原子气体，在太空中实现了玻色-爱因斯坦凝聚体的创造。 由此产生的干涉图显示了探空火箭微重力环境的明显影响，表明只要稍加改进，这项技术就可以用来高精度测量这种环境。 计划于2022年和2023年进行的下一步研究是再次尝试这项试验，使用单独的铷和钾的玻色-爱因斯坦凝聚体来观察它们在自由落体下的加速度。 由于铷原子和钾原子的质量不同，研究人员说，这项实验将是对爱因斯坦等效原理的一个有趣的检验，爱因斯坦等效原理指出，无论物体本身的质量如何，重力对所有物体的加速都是相等的。 这个原理之前已经在太空中被研究过，等效原理是广义相对论的基石之一，而相对论往往在量子领域被打破，所以计划中的实验肯定会非常有趣。 对我们来说，这个超冷系统为原子干涉测量提供了一个非常有前途的起点。在下一步的研究中，他们必须分离并重组这些叠加的原子。再一次，研究人员创造出了他们的铷玻色-爱因斯坦凝聚体，但这次他们用激光照射气体，导致原子分离，然后重新叠加在一起。 在这种情况下，可达到的精确度不会受到火箭上有限的自由落体时间的限制。在短短几年内，我们就可以将原子干涉术应用于广义相对论的量子测试、探测引力波，甚至搜索暗物质和暗能量。我们迫不及待地想知道接下来会发生什么。 该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
一、为什么需要提高时间测量精度
在文明进步和科学技术发展的历史长河中，人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置，到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表，再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……那么，21世纪人类社会已经步入信息爆炸时代，对时间测量精度的要求到底高到了什么地步？
当前地面上投入使用的最准确的原子钟误差已经降到万亿分之一秒/天。如此高精度的计时需求，人们也许是感觉不到的，生活中，貌似一只误差百分 之一秒/天的手表就足够用了。但事实上，当计时器的误差超过千分之一秒/天时，人们现在每天赖以生存的电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱；当误差超过十亿分之一秒/天时，卫星导航定位、船只远海航行、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标，而诸如开展深空探测、引力波探测、精细结构常数测量、广义相对论验证等等对时间精度要求达到极致的科学研究活动就更不要提了。
正因如此，全世界数十个实验室就建立了几百台高精度原子钟，它们共同组成了世界通用标准时间系统，该系统由国际计量局负责保持，通过网络、电话、长波、短波、电视等各种通信手段为大众提供授时服务。其中，卫星导航系统已成为高精度授时服务的主要手段。目前，制约卫星导航系统精度的主要因素是星载原子钟的精度和大气层对空地信号同步比对过程的影响，因此，发展空间超高精度原子钟，提高空间计量守时精度，对全球导航定位系统、基础物理研究、深空探测等方面都具有非常重大的应用价值。
二、什么是原子钟
原子钟是科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出的比晶体钟更高精度的计时装置。1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展，20世纪末达到了10－14量级，即误差约为百亿分之一秒/天，在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国GPS、中国的北斗），覆盖了地球98%的表面，将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。
近30年间，随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子而制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟精度已经达到了10－1 6量级，误差小于万亿分之一秒/天，而更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。总而言之，原子钟的发展使“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。
三、空间冷原子钟与地面冷原子钟有何不同
在地面上，由于受到重力的作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号。可以预期，空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。
最近，中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，发展出空间超高精度冷原子钟，研制的“空间冷原子钟”实验样机计划于2016年9月搭载天宫二号发射升空，这将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，有望在空间轨道上获得较地面上的线宽窄一个数量级的原子钟谱线，从而提高目前空间原子钟的精度，这将是原子钟发展史上又一个重大突破。
四、“空间冷原子钟”上天：究竟要做啥？
空间冷原子钟
“空间冷原子钟”将在轨开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、原子慢速抛射、超冷原子与微波相互作用、冷原子钟信号产生与传递、高精度光电自动时序控制等前沿科学实验。这是人类首次在太空中开展这些实验，可以为未来在超高精度时间基准有重大需求的空间科学实验和工程应用等的开展奠定基础。
空间冷原子钟由物理单元、微波单元、光学单元和控制单元组成，每个单元都有非常高的技术指标，其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度（μK量级）的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向慢速抛射，而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速均速直线运动。而处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔，与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，通过测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子跃迁几率，改变微波频率可以获得原子钟的信号谱线－Ramsey条纹。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得超高精度的时间频率标准信号。
空间冷原子钟工作原理图
五、“空间冷原子钟”的好处
空间冷原子钟本身具有极高的精度，同时在太空中对其它卫星上的星载原子钟又可以进行无干扰的时间信号传递和校准，避免了大气和电离层多变状态的影响，从而使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。
空间冷原子钟应用于全球导航空位系统示意图
空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础，并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。
空间冷原子钟的应用前景示意图
出品：科普中国
制作：科学大院 中国科学院上海光学精密机械研究所
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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近日，英国伯明翰大学科研人员Michael Holynski等研发出了一款基于量子传感器的重力梯度仪，可用于地下勘测，有望为绘制地质结构图、无挖掘考古等做出贡献。 2月24日凌晨，相关成果登上《自然》杂志。 重力，存在于地球和万物之间。科学家们通过测量地球上的重力场数据，可确定地球内部岩石圈的结构、密度等。 如何获取地球上重力场数据？在传统方法中，经典重力仪就像一个高度灵敏的弹簧秤，“弹簧系统”会随重力变化产生位移。科学家们通过观测位移，来测定重力变化。不过这种测量方式往往耗时费力，单个数据点测量就需要几十分钟，测量精度也有提升空间。 伯明翰大学团队另辟蹊径，基于量子力学原理，研发出了一款更实用的重力梯度仪——从微观层面，使用超冷原子来感应重力变化，15分钟内，即可收集10个地点的重力梯度数据。 实际上，利用量子特性进行重力测量并非新鲜事。早在20年多前，已有科学家用原子干涉仪进行重力场测量实验。 在原子重力仪中，光脉冲装置会产生、分离和重组微观粒子，使它们相互干扰，从而探测局部重力场，即可得到精确数据。 不过，此次伯明翰大学团队研发出的探测仪，并非直接探测重力场的绝对数据，而是探测重力梯度——即重力场强度在垂直方向上的变化率，这类数据能够更灵敏地反映重力的局部变化。 据《自然》杂志报道，这款量子重力梯度仪采用了沙漏结构。利用该结构，他们能对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云（铷是一种金属元素）进行了差分测量，从而获取高精度数据。 通过对微小引力信号的测量，量子重力梯度仪能够无损地感应到地表之下的情况。在应用层面，利用该仪器，团队已在一条8.5米的街道路面下，探测到了一条横截面积为2平方米的隧道。 《自然》杂志评论认为，这项研究成果，可能会极大地改变重力测量学的应用范畴，有望用于工程建设和环境探测等领域。
数据：
迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式。从光源发出的一束光，在分束镜的半反射面上被分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2。反射光束1射出后投向反射镜，反射回来再穿过；光束2经过补偿板投向反射镜，反射回来再通过，在半反射面上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。
用白光作光源时，在两面的交线附近的中央条纹，可能是白色明条纹，也可能是暗条纹。在它的两旁还有大致对称的有几条彩色的直线条纹，稍远就看不到干涉条纹了。
扩展资料
分析误差的产生原因可能是：
（1）调节M1的位置时，由于干涉条纹总有闪动，导致调节时无法确定某个条纹是否是一个完整的周期；
（2）此外，当调节时转动一定角度后手要暂时离开旋钮此时条纹有变化导致这一条纹的测量值不准确也会造成误差；
（3）此外螺距误差的消除上也可能存在误差；
（4）计数起始时的干涉条纹形状和计数结束时的干涉条纹的形状不能对应，导致数出的不是完整的五十个条纹，也会造成误差。
