本发明涉及一种基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法，适用于量子陀螺领域，提高稳定性与灵敏度。
技术背景
自19世纪末到现在，陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在军、民用领域发挥着重要的作用。传统概念的陀螺是通过转子转动产生动量矩来敏感陀螺壳体相对惯性空间的角运动，但是由于摩擦等因素，灵敏度和精度较低。光纤陀螺和激光陀螺通过Sagnac效应，这种陀螺不再拥有高速旋转的转子，而是基于新型的物理机理来完成壳体相对惯性空间的运动测量，但是由于稳定性差且灵敏度与体积有关，致使发展遇到瓶颈。近年来随着低温物理学等领域的快速发展，出现了一系列新型的超高精度超高灵敏度陀螺，比如原子陀螺和量子陀螺。
原子陀螺主要包括原子自旋陀螺和原子干涉陀螺。其中，原子自旋陀螺又包括原子SERF陀螺和核磁共振陀螺两类。在原子自旋陀螺中，原子间的碰撞必然存在，从而不可避免地影响和制约了陀螺仪的精度。原子干涉陀螺则是利用光的Sagnac原理，利用原子团射入激光对射形成的光栅中从而进行相位检测，但是稳定性不足，而量子陀螺的研究对象是基于玻色-爱因斯坦凝聚理论形成的超流体，由于超流体的粘滞系数、流体间以及流体对周围运动产生的阻尼很小，当超流体腔体发生运动时，超流体可以保持其原来的状态。利用这一特性可以制造一个物理的惯性空间。因此，基于超流体的新概念陀螺在原理上可以进行高精度的惯性测量，预计精度可达到10-12rad/s，尤其适用于超高精度姿态测量场合。
1995年玻色-爱因斯坦凝聚的实验实现，使得以前只能在液氦中进行研究的超流现象可以直接通过囚禁低温碱金属原子而进行研究。但是，由于激光冷凝装置体积过大并且价格高昂，并不能普遍应用；2010年在半导体微腔内通过强烈的激子耦合实现极化声子凝聚态，该凝聚态有大多数玻色-爱因斯坦凝聚态的特性，例如，超流体性、稳定涡旋的形成、高的空间相干性，并且临界温度高，克服了激光冷凝技术的难题。因此探索基于常温极化声子凝聚态的量子陀螺的高稳定性和高灵敏度实现方案具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服光纤陀螺和原子陀螺中，体积过大和激光冷却技术的问题。通过在常温BEC中产生稳定的相干正反涡旋叠加态并利用环形势阱以及亚稳凝结技术，提高量子陀螺系统的稳定性和灵敏度。
本发明的技术解决方案是：利用垂直腔面激光发射器，产生相干叠加态的涡旋光；利用相干叠加态的涡旋光在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波；再根据Sagnac原理，利用CCD装置对该常温BEC中的物质波进行相位检测而得到相位差，最终结算出常温BEC的旋转角速率。该方法使干涉陀螺的灵敏度得到提高，同时制作成本减低，并且体积小，因而提高量子陀螺的整体性能。
具体包括以下步骤：
(1)利用垂直腔面激光发射器，产生相干叠加态的涡旋光
通过设计垂直腔面激光发射器中的螺旋相位板，使该螺旋相位板的内圆为|+l>、外圆为|-l>，其内圆的直径为整个螺旋相位板直径的44.6％，最终产生|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光；
(2)在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波
针对步骤(1)所得到的|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光，将其引入常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波，利用open-dissipative Gross-Pitaevskii(dGP)方程描述出该物质波在常温BEC下的运动状态，最终求得极化声子BEC的波函数：
式中，ψ(X,t)常温BEC的波函数，g是常温BEC中激子—极化声子的相互作用常数，m为极化声子的质量，Vext(X)空间相关的势阱能量，P(X)空间相关的脉动速率，γ是极化声子亏损速率，η是增益饱和；
(3)利用CCD装置对该物质波进行相位检测
根据Sagnac原理，当常温BEC旋转时，通过CCD装置对该常温BEC中的相干涡旋叠加态的物质波进行相位检测，可以得到相位差，在时间t时，可得Sagnac相位随时间累积的干涉图样，其横向密度剖面的公式：
(1+cos[2l(φ+Ωt)])|ψ(X,t)2
式中，l为定值，φ为初始相位，Ω为常温BEC的旋转速率；
(4)常温BEC旋转角速率的解算
常温BEC的旋转角速率公式：
式中：φΩ(t)为Sagnac相位，k0为相向传播子的动量，r为环形势阱的半径。
本发明的原理是：
量子陀螺系统中，通过带有轨道角动量(OAM)的涡旋光的方法可实现BEC中涡旋的生成，而带有|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光，不仅产生了正反涡旋的相干叠加态，还可以保持涡旋叠加态在常温BEC中的持续稳定性。考虑|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光产生的问题，可以通过SPP螺旋相位板以及全息法来产生涡旋光，更加直接的是通过垂直腔面激光发射器，只需设计一块带有|+l>和|-l>的螺旋相位板，就可以直接产生带有|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光。
带有|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光注入激子—极化声子BEC中，利用dGP方程描述极化声子BEC的动力学特性：
检测正反涡旋相干叠加态的稳定性，当该叠加态处于一个平滑的势阱中时Vext(X)＝0，此时该极化声子BEC的初态为：
dGP方程中的平衡密度收敛于：
当P＝γ＝η＝0时，该极化声子BEC是保守的，此时粒子数是固定不变的，既没有粒子进入凝聚态也没有粒子离开凝聚态，而随着P-γ,η＞0时，该凝聚态既会损失粒子也会得到粒子，但稳定性却会保持的，不会有纯粹的损失。
通过与光纤陀螺进行对比：
光纤陀螺的Sagnac相位：
当在环形几何势阱中，极化声子BEC的Sagnac相位：
N(t)是一个极化声子在t时间绕这个环形势阱的次数：
综合上述公式可得环形势阱的Sagnac相位为：
φΩ(t)＝2k0rΩt
从而可得出常温BEC的旋转角速率：
当势阱旋转时，两个正反涡旋叠加态的物质波会产生不同相位，Sagnac相位随时间累积的旋转干涉图样的横向密度剖面表达式为：
(1+cos[2l(φ+Ωt)])|ψ(X,t)2
若是在环形势阱情况下，则表达式为：
(1+cos[2k0r(φ+Ωt)])|ψ(X,t)2
通过用CCD装置进行相位检测得到φΩ(t)，则信噪比SNR为：
信噪比是旋转相位差与散粒噪音(shot-noise)的比值,而散粒噪音就是每秒极化声子从BEC到达相位板的数量。
通过令SNR＝1可以得到环形势阱中正反相干涡旋叠加态的Ωmin：
我们可以估算出极化声子的信号光子为Nsc～1014s-1，因此大致估算灵敏度为：
Ωmin～10-10rads-1Hz-1/2
本发明利用常温的激子—极化声子凝聚态，有效的减小了Sagnac干涉仪的体积，同时利用物质波干涉代替光的干涉，使干涉仪灵敏度和稳定性得到提高。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：
(1)基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法，不仅有效的解决的光纤陀螺与激光陀螺体积大、灵敏度低的问题，同时利用常温条件下的激子—极化声子凝聚态，有效的克服激光冷凝装置体积大，成本高的缺点；
(2)利用相反相干涡旋叠加态的干涉代替光的干涉，从而提高灵敏度，同时由于相干涡旋叠加态在极化声子BEC可以保持稳定，不被破坏，因此稳定性得到了大幅度的提高。
附图说明
图1为垂直腔面激光发射器装置图；
图2为本发明基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法的结构示意图；
图3为本发明基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法的原理示意图；
图4为本发明的流程图。
具体实施方案
本发明是基于常温BEC相干涡旋叠加态的量子干涉方法，具体实施方案如图2所示，具体实施步骤如下：
(1)利用垂直腔面激光发射器，产生相干叠加态的涡旋光
通过设计垂直腔面激光发射器中的螺旋相位板，使该螺旋相位板的内圆为|+l>、外圆为|-l>，其内圆的直径为整个螺旋相位板直径的44.6％，最终产生|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光。
垂直腔面激光发射器如图1所示，该激光腔是由一个放在底部的分布布拉格反射镜(DBR)、一个激光放射层、以及一个顶部的分布布拉格反射镜组成，在光圈表面还放置了一个纳米光栅，用来进行偏振控制，再通过SPP板之前可以得到线性偏振光束，当电流通过顶端的P-contact和低端的N-contact，一束波长为860nm的高斯光束就会从光圈中射出，再通过所设计的SPP版，即形成带有|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光。
(2)在常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波
常温BEC是指激子—极化声子BEC，在半导体的微腔中，通过用激光注入的方法形成一种半物质、半光的激子；激子—极化声子BEC是一种在室温下形成的一种不均衡的现象，由于在室温下进行，相互作用往往会被弱化，然而该凝聚态有大多数原子BEC的特性，例如，超流体性、稳定涡旋的形成、高的空间相干性。
该极化声子凝聚态放置在墨西哥帽子环形势阱中，该势阱的表达式：
这里是墨西哥帽子势阱的半径。
针对步骤(1)所得到的|+l>和|-l>相干叠加态的涡旋光，将其引入常温BEC中产生相干涡旋叠加态的物质波如图2所示，利用dGP方程描述出该物质波在常温BEC下的运动状态，再利用广义时域有限差分法进行近似计算：
式中，ψ(X,t)常温BEC的波函数，g是常温BEC中激子—极化声子的相互作用常数，m为极化声子的质量，Vext(X)空间相关的势阱能量，P(X)空间相关的脉动速率，γ是极化声子亏损速率，η是增益饱和。
当放置在墨西哥帽子势阱中时，可获得一个近似的波函数：
(3)利用CCD装置对正反相干涡旋叠加态的物质波进行相位检测
根据Sagnac原理，当常温BEC旋转时，通过CCD装置对该常温BEC中的相干涡旋叠加态的物质波进行相位检测，可以得到相位差，在时间t时，可得Sagnac相位随时间累积的干涉图样，其横向密度剖面的公式：
(1+cos[2l(φ+Ωt)])|ψ(X,t)2
式中，l为定值，φ为初始相位，Ω为常温BEC的旋转速率；
(4)常温BEC旋转角速率的解算
常温BEC的旋转角速率公式：
式中：φΩ(t)为Sagnac相位，k0为相向传播子的动量，r为环形势阱的半径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。