基于Sagnac效应的角速度测量系统在军事和国民经济领域中有重要用途。根据角速度测量系统中干涉物质的不同，可以分为光波干涉角速度测量系统（例如光纤陀螺）和物质波干涉角速度测量系统（如原子陀螺）两类。然而，无论是光纤陀螺还是原子陀螺，在实现高精度角速度测量时，都有其自身的优势和技术瓶颈。其中，光纤陀螺仪结构简单，容易实现大面积的Sagnac环，但测量精度受限于光源相干性、光纤中散射和偏振交叉耦合等噪声影响；原子陀螺仪结构复杂，不易形成大面积的Sagnac环，实用化目前尚存在一些技术难题。

陈丽清教授课题组利用原子系综的拉曼过程产生斯托克斯光场和原子自旋波，实现光-原子量子关联，完成光和原子非线性的分束与合束。利用该量子过程代替传统光纤陀螺仪中的分束器和合束器，提出光-原子混合陀螺仪，实现高精度的角速度测量。同时，根据该陀螺仪的工作原理，分析相关参数对测量精度的影响，并根据具体实验参数，寻找本陀螺仪的最佳工作状态，为实验实施提供参考。

图1为光-原子混合陀螺仪的工作原理。其中，泵浦光和斯托克斯光在原子池发生拉曼放大过程，实现光-原子的分束与合束。随后，泵浦光和放大后的斯托克斯光分别沿着顺逆时针方向传输，用于感受角速度引起的相位差，实现角速度测量。图2到图4分别展示了本陀螺仪中相关参数对测量精度的影响。图5展示了本陀螺仪的动态范围。

相比于传统的光纤陀螺仪，光-原子量子陀螺仪通过原子系综的拉曼过程实现光场和原子自旋波的量子关联，使得该陀螺仪测量精度可以突破标准量子极限。同时，针对该陀螺仪使用过程中相干涉的光和原子损耗不同的影响，通过分析光和原子损耗比，分析损耗对测量精度的影响。结果表明，本陀螺仪即使在有损耗的情况下，其测量精度仍然能够突破标准量子极限。

 光-原子量子陀螺仪结构简单，便于操作，具有高于标准量子极限的测量精度，可以广泛应用于现在惯导系统中。该工作发表于Physical Review Applied 14, 064023 (2020)。

图1.光-原子量子陀螺仪工作原理图。图2.在不同的拉曼放大倍数G时，灵敏度增强因子K随着Sagnac相位βΩ的变化趋势图。图3.在不同的光和原子的损耗比ξ时，灵敏度ΔΩ随光纤长度L的变化趋势图。图4.在不同的拉曼放大倍数G时，灵敏度ΔΩ随光和原子损耗比ξ的变化趋势图。图5.光-原子量子陀螺仪的动态范围。