專利名稱：芯片式原子陀螺儀及其測量轉(zhuǎn)動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陀螺儀及其測量轉(zhuǎn)動的方法，尤其是一種芯片式原子陀螺儀及其測量轉(zhuǎn)動的方法，屬于轉(zhuǎn)速測量和慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，用于轉(zhuǎn)動測量和慣性導(dǎo)航的陀螺儀主要是光學(xué)陀螺儀，其原理是利用光學(xué)干涉環(huán)路中由轉(zhuǎn)動引起的薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)所造成干涉條紋的移動來測量轉(zhuǎn)動速度
φh
其中，S為干涉環(huán)路包圍的面積，Ω為轉(zhuǎn)動的速度，m為光子或原子的質(zhì)量。
光學(xué)陀螺儀可以很容易地實現(xiàn)小型化和實用化，但它的不足和缺點主要是測量精度不高。而利用原子的波動性來形成干涉，并進(jìn)一步構(gòu)成包圍一定面積的干涉環(huán)路，同樣利用薩格奈克效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)動速度的原子陀螺儀的測量精度則遠(yuǎn)高于光學(xué)陀螺儀，原因是原子的質(zhì)量比光子大得多，在相同環(huán)路面積下，很小的轉(zhuǎn)動就可以引起相對于光學(xué)陀螺儀來說大很多的相位差，從而大大提高了陀螺儀的分辨率和精度。
而在國際上實現(xiàn)的此類原子陀螺儀通常有兩種熱原子束陀螺儀和冷原子陀螺儀，測量精度比其它任何類型陀螺儀都高出好幾個數(shù)量級，但是其缺點與不足是整體結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，要實現(xiàn)實用化往往會比較困難。
為了實現(xiàn)原子陀螺儀的小型化和實用化，現(xiàn)已提出利用原子芯片來實現(xiàn)陀螺儀， 如中國專利號為200610125027.9的發(fā)明專利，它公開了一種微型原子陀螺儀，但由于其導(dǎo)引與內(nèi)態(tài)無關(guān)，很難做到50%的相干分束，且初始內(nèi)態(tài)相同，在干涉時沒有辦法消除共模相位，因此，只能在理想狀態(tài)下測出轉(zhuǎn)動速度，無法真正應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、 測量精確、可行性強(qiáng)，且易于實用化的芯片式原子陀螺儀。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種芯片式原子陀螺儀測量轉(zhuǎn)動的方法。
本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到
芯片式原子陀螺儀，包括原子芯片、玻璃真空腔、離子泵、帶堿金屬釋放劑的電流饋通、真空閥和四通接頭；
所述四通接頭的四個開口分別與玻璃真空腔、離子泵、電流饋通和真空閥連接，所述原子芯片作為玻璃真空腔的一個面連接在玻璃真空腔上，其特征在于所述原子芯片上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括
用于形成可沿X方向移動的一維原子導(dǎo)引、由若干沿y方向平行設(shè)置的導(dǎo)線組成的導(dǎo)線陣列；
兩根沿X方向用于在y方向形成一維原子囚禁勢阱的第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線；
以及兩組沿X方向用于在y方向形成態(tài)選擇雙阱的第一共面微波波導(dǎo)和第二共面微波波導(dǎo)。
作為一種優(yōu)選方案，所述原子芯片上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述導(dǎo)線陣列設(shè)置在底層，所述第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線、第一共面微波波導(dǎo)和第二共面微波波導(dǎo)設(shè)置在頂層。
作為一種優(yōu)選方案，所述若干沿y方向平行設(shè)置的導(dǎo)線分別為gl、g2、g3. . . gn，其中 η > 3。
作為一種優(yōu)選方案，所述原子芯片采用真空膠粘接在玻璃真空腔上。
作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃真空腔通過金屬法蘭與四通接頭的一個開口連接。
本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到
芯片式原子陀螺儀測量轉(zhuǎn)動的方法，其特征在于包括以下步驟
I)通過真空閥與前級真空泵連接，將陀螺儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥，并利用離子泵將陀螺儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)；
2)采用電流饋通加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量；
3)在導(dǎo)線陣列中的導(dǎo)線gl和g2通上同向電流，同時在第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片表面產(chǎn)生三維原子囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到該囚禁勢阱中；
4)減小導(dǎo)線gl的電流大小，同時增加導(dǎo)線g3的電流大小，由導(dǎo)線陣列7形成的的一維原子導(dǎo)引沿X方向移動；同時增大第一共面微波波導(dǎo)和第二共面微波波導(dǎo)中的微波功率，在y方向的囚禁勢阱從一個變?yōu)閮蓚€，從而實現(xiàn)不同內(nèi)態(tài)原子的相干分束；當(dāng)微波功率達(dá)到最大時，接著減少微波功率，在I方向的囚禁勢阱從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束；
5)依次改變導(dǎo)線陣列中各導(dǎo)線的電流，讓一維原子導(dǎo)引一直沿X方向運動；原子在y方向分束和合束的同時也在X方向移動，從而形成雙Y型包圍一定面積的閉合路徑；
6)利用π /2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團(tuán)基態(tài)布居進(jìn)行相干探測后，得到原子干涉條紋，從干涉條紋的移動讀出由轉(zhuǎn)動所引起的原子干涉相位差；然后根據(jù)薩格奈克效應(yīng)的理論計算出轉(zhuǎn)動的速度。
作為一種優(yōu)選方案，在步驟4)中，在冷原子團(tuán)分束前，冷原子內(nèi)態(tài)制備到相干疊加態(tài)1/么(|1〉+ #/2|2〉)，冷原子團(tuán)被分開后，不同內(nèi)態(tài)的原子沿態(tài)選擇微波導(dǎo)引運動，先分開經(jīng)過不同的路徑最后合并。
作為一種優(yōu)選方案，所述相干疊加態(tài) /^(| 〉+ # 2|2〉)的I I〉和|2〉選擇的是原子內(nèi)態(tài)的兩個穩(wěn)定基態(tài)。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果
I、本發(fā)明的陀螺儀利用原子芯片來操縱冷原子，整體結(jié)構(gòu)很小，便于攜帶，其環(huán)路面積可以像光纖陀螺儀一樣疊加，具有很高的靈敏度，有廣闊的應(yīng)用前景。
2、本發(fā)明的陀螺儀利用原子芯片上的態(tài)選擇微波導(dǎo)引來實現(xiàn)原子的分束和合束， 利用可移動導(dǎo)引來移動原子，可以在很小的結(jié)構(gòu)中得到很大的干涉環(huán)路，從而在實現(xiàn)小型化的同時，對原子陀螺儀的精度也不會構(gòu)成影響。
3、本發(fā)明的陀螺儀利用原子內(nèi)態(tài)的相干與態(tài)選擇微波導(dǎo)引相結(jié)合來實現(xiàn)馬赫-曾特(Mach-Zehnder)原子內(nèi)態(tài)干涉儀,從而實現(xiàn)原子干涉的小型化和實用化,并進(jìn)一步利用小型化的原子干涉環(huán)路來 實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的精確測量。


圖I為本發(fā)明芯片式原子陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明芯片式原子陀螺儀的原子芯片導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例I :
如圖I所示，本實施例的芯片式原子陀螺儀，包括原子芯片I、玻璃真空腔2、離子泵3、帶堿金屬釋放劑的電流饋通4、真空閥5和四通接頭6 ;所述四通接頭6的四個開口分別與玻璃真空腔2、離子泵3、電流饋通4和真空閥5連接，所述玻璃真空腔2與四通接頭6 的一個開口之間通過金屬法蘭連接，所述原子芯片I采用真空膠粘接在玻璃真空腔2上，并作為玻璃真空腔2的一個面；從而使陀螺儀內(nèi)部形成一個密閉的真空結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，所述原子芯片I上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)線陣列7、兩根沿X方向的第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9以及兩組沿X方向的第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11 ； 所述導(dǎo)線陣列7沿y方向平行設(shè)置的導(dǎo)線為gl、g2、g3. . . gn，其中η彡3。所述原子芯片I 上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述導(dǎo)線陣列7設(shè)置在底層，所述第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9、第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11設(shè)置在頂層。
所述導(dǎo)線陣列7形成可沿X方向移動的一維原子導(dǎo)引，該一維原子導(dǎo)引在XZ平面上。所述第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線9在7方向形成一維原子囚禁勢阱。所述第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11在y方向形成態(tài)選擇雙阱的。一維原子導(dǎo)引和一維原子囚禁勢阱在芯片表面形成三維原子囚禁勢阱。
本實施例的芯片式陀螺儀測量轉(zhuǎn)動的方法如下
I)通過真空閥5與前級真空泵連接，將陀螺儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥 5，并利用離子泵3將陀螺儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)；
2)采用電流饋通4加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量，如銣原子；
3)在導(dǎo)線陣列7中的導(dǎo)線gl和g2通上同向電流，同時在第一導(dǎo)線8和第二導(dǎo)線 9通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片I表面產(chǎn)生三維原子囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到該囚禁勢阱中；
4)在冷原子團(tuán)分束前，利用/2拉曼脈沖將已完成初態(tài)制備的冷原子制備到相干疊加態(tài)f 2|2〉)，此處I I〉和|2〉可選擇原子內(nèi)態(tài)的兩個穩(wěn)定基態(tài)，如銣-87的 5S基態(tài)F=l,mF=-l和F=2,mF=l ;接著減小導(dǎo)線gl的電流大小，同時增加導(dǎo)線g3的電流大小，由導(dǎo)線陣列7形成的的一維原子導(dǎo)引將沿X方向移動，同時增大第一共面微波波導(dǎo)10 和第二共面微波波導(dǎo)11中的微波功率，實現(xiàn)原子囚禁勢阱的分開，即在y方向從一個勢阱分為兩個勢阱，且勢阱與原子內(nèi)態(tài)有關(guān)，處于I和|2〉態(tài)的原子將囚禁在不同的勢阱中，從而實現(xiàn)與內(nèi)態(tài)有關(guān)的分束；當(dāng)微波功率達(dá)到最大時，接著減少微波功率，在y方向的囚禁勢阱將從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束；
5)依次改變導(dǎo)線陣列7中各導(dǎo)線的電流，讓一維原子導(dǎo)引一直沿X方向運動；原子在y方向分束和合束的同時也在X方向移動，從而形成雙Y型包圍一定面積的閉合路徑；
6)利用/2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團(tuán)基態(tài)布居進(jìn)行相干探測后，得到原子干涉條紋，從干涉條紋的移動讀出由轉(zhuǎn)動所引起的原子Ajrm干涉相位差；然后根據(jù)薩格奈克效應(yīng)的理論，即采用公式Φ = γ5'·Ω計算出轉(zhuǎn)動的速度hΩ。
以上所述，僅為本發(fā)明優(yōu)選的實施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.芯片式原子陀螺儀，包括原子芯片(I)、玻璃真空腔(2)、離子泵(3)、帶堿金屬釋放劑的電流饋通(4)、真空閥(5)和四通接頭(6)； 所述四通接頭(6)的四個開口分別與玻璃真空腔(2)、離子泵(3)、電流饋通(4)和真空閥(5)連接，所述原子芯片(I)作為玻璃真空腔(2)的一個面連接在玻璃真空腔(2)上，其特征在于所述原子芯片(I)上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括 用于形成可沿X方向移動的一維原子導(dǎo)引、由若干沿I方向平行設(shè)置的導(dǎo)線組成的導(dǎo)線陣列(7); 兩根沿X方向用于在I方向形成一維原子囚禁勢阱的第一導(dǎo)線(8)和第二導(dǎo)線(9)； 以及兩組沿X方向用于在I方向形成態(tài)選擇雙阱的第一共面微波波導(dǎo)(10)和第二共面微波波導(dǎo)(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的芯片式原子陀螺儀，其特征在于所述原子芯片(I)上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述導(dǎo)線陣列(7)設(shè)置在底層，所述第一導(dǎo)線(8)和第二導(dǎo)線(9)、第一共面微波波導(dǎo)(10)和第二共面微波波導(dǎo)(11)設(shè)置在頂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片式原子陀螺儀，其特征在于所述若干沿y方向平行設(shè)置的導(dǎo)線分別為gl、g2、g3. . . gn,其中η彡3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的芯片式原子陀螺儀，其特征在于所述原子芯片(I)采用真空膠粘接在玻璃真空腔(2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的芯片式原子陀螺儀，其特征在于所述玻璃真空腔(2)通過金屬法蘭與四通接頭(6)的一個開口連接。
6.基于權(quán)利要求3所述陀螺儀測量轉(zhuǎn)動的方法，其特征在于包括以下步驟 1)通過真空閥(5)與前級真空泵連接，將陀螺儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥(5)，并利用離子泵(3)將陀螺儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)； 2)采用電流饋通(4)加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量； 3)在導(dǎo)線陣列(7)中的導(dǎo)線gl和g2通上同向電流，同時在第一導(dǎo)線(8)和第二導(dǎo)線(9)通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片(I)表面產(chǎn)生三維原子囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到該囚禁勢阱中； 4)減小導(dǎo)線gl的電流大小，同時增加導(dǎo)線g3的電流大小，由導(dǎo)線陣列7形成的的一維原子導(dǎo)引沿X方向移動；同時增大第一共面微波波導(dǎo)(10)和第二共面微波波導(dǎo)(11)中的微波功率，在y方向的囚禁勢阱從一個變?yōu)閮蓚€，從而實現(xiàn)不同內(nèi)態(tài)原子的相干分束；當(dāng)微波功率達(dá)到最大時，接著減少微波功率，在y方向的囚禁勢阱從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束； 5)依次改變導(dǎo)線陣列(7)中各導(dǎo)線的電流，讓一維原子導(dǎo)引一直沿X方向運動；原子在I方向分束和合束的同時也在X方向移動，從而形成雙Y型包圍一定面積的閉合路徑； 6)利用η/2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團(tuán)基態(tài)布居進(jìn)行相干探測后，得到原子干涉條紋，從干涉條紋的移動讀出由轉(zhuǎn)動所引起的原子干涉相位差；然后根據(jù)薩格奈克效應(yīng)的理論計算出轉(zhuǎn)動的速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量轉(zhuǎn)動的方法，其特征在于在步驟4)中，在冷原子團(tuán)分束前，冷原子內(nèi)態(tài)制備到相干疊加態(tài)1/七(|1〉+產(chǎn)2|2〉)，冷原子團(tuán)被分開后，不同內(nèi)態(tài)的原子沿態(tài)選擇微波導(dǎo)引運動，先分開經(jīng)過不同的路徑最后合并。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量轉(zhuǎn)動的方法，其特征在于所述相干疊加態(tài)l/V2(]l) + ^ |2〉)的11〉和I 2〉選擇的是原子內(nèi)態(tài)的兩個穩(wěn)定基態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種芯片式原子陀螺儀及其測量轉(zhuǎn)動的方法，所述陀螺儀包括原子芯片、玻璃真空腔、離子泵、電流饋通、真空閥和四通接頭；四通接頭的四個開口分別與玻璃真空腔、離子泵、電流饋通和真空閥連接，原子芯片連接在玻璃真空腔上，原子芯片上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括由若干沿y方向平行設(shè)置的導(dǎo)線組成的導(dǎo)線陣列、兩根沿x方向的導(dǎo)線以及兩組沿x方向的共面微波波導(dǎo)；所述方法使原子芯片表面產(chǎn)生三維原子囚禁勢阱，并將冷原子裝載到該囚禁勢阱中，再利用導(dǎo)線陣列移動冷原子的同時利用兩組共面微波波導(dǎo)分開和合并不同內(nèi)態(tài)的冷原子，根據(jù)薩格奈克效應(yīng)的理論計算轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的陀螺儀便于攜帶，其環(huán)路面積可以疊加，具有很高的靈敏度，有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01C19/64GK102927978SQ20121042118
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者顏輝, 廖開宇, 杜炎雄, 李建鋒 申請人:華南師范大學(xué)