基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度測量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度測量傳感器，屬于重力勘測【技術(shù)領(lǐng)域】。本傳感器包含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第一、第二單元裝置（A、B），其特征是第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成真空容器（1），并且第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)內(nèi)部空心部分連通為一體；在真空容器（1）沿重力場方向的中軸線上，分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向冷原子團(tuán)（c）制備區(qū)的拉曼激光光束發(fā)射器（7），兩個(gè)單元裝置共用一對(duì)拉曼激光光束發(fā)射器（7）。本發(fā)明使得來自于環(huán)境中和拉曼激光相位的噪聲和偏差共模相消；降低物理系統(tǒng)的復(fù)雜程度、體積、質(zhì)量和功耗。
【專利說明】基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度測量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于重力勘測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度測量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]由重力勢的一階微商(重力加速度)和二階微商(重力梯度)可以反演得到地表以下的質(zhì)量和密度的分布特征。因此重力勘測方法在資源勘探、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和地球物理研究等領(lǐng)域一直發(fā)揮著非常重要的作用。
[0003]與重力加速度信號(hào)相比，重力梯度信號(hào)具有更高的空間分辨率和靈敏度；并具有9個(gè)空間張量分量(其中5個(gè)位獨(dú)立分量)，可進(jìn)行立體成像；此外，針對(duì)重力梯度的一系列差分測量方案，可以從很大程度上抑制震動(dòng)、潮汐等環(huán)境噪聲對(duì)測量結(jié)果所造成的負(fù)面影響，可以獲得更高的測量精度，從而也使得先測量重力梯度分布再積分恢復(fù)出重力場分布已經(jīng)成為一種成熟的勘測方法。因此在很多應(yīng)用領(lǐng)域，重力梯度儀技術(shù)相對(duì)于重力儀技術(shù)具有更重要的意義。
[0004]迄今為止，用于測量重力勢一階微商的重力儀技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要有自由落體和原子干涉兩種技術(shù)方案。其中自由落體方案已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，最具代表性的當(dāng)屬美國Micro-g Lacoste公司所生產(chǎn)的FG5型絕對(duì)重力儀和CG5型相對(duì)重力儀；原子干涉方案，是目前所達(dá)到測量精度最高的技術(shù)方案(10_12g)，其原理如文獻(xiàn)(Measurement ofLocal Gravity via a Cold Atom Interferometer, L.Zhou 等,Chin.Phys.Lett.第 28卷，013701頁，2011年)所介紹，也可簡述如下:冷原子團(tuán)在垂向拉曼激光脈沖的作用下發(fā)生類似光學(xué)干涉儀的分束、反射、合束過程，最終原子在兩個(gè)末態(tài)路徑的分布幾率與拉曼激光的相對(duì)相位呈正弦關(guān)系，而重力加速度會(huì)使得原子的路徑發(fā)生偏折從而感受到拉曼激光的相對(duì)相位發(fā)生變化，從而使原正弦曲線的相位發(fā)生移動(dòng)，通過該相位移動(dòng)即可反推出重力加速度的數(shù)值。但受限于物理系統(tǒng)可搬運(yùn)技術(shù)、激光系統(tǒng)及電子控制系統(tǒng)的集成化技術(shù)，采用原子干涉方案的重力儀尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]關(guān)于測量重力勢二階微商的重力梯度儀，在國際上除了低溫超導(dǎo)、旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)、靜電懸浮等技術(shù)方案之外，原子干涉方案也受到了人們的廣泛關(guān)注。1998年，美國斯坦福大學(xué)的Kasevich小組將兩個(gè)原子干涉型重力儀沿垂向?qū)盈B，實(shí)現(xiàn)了重力梯度的測量，可參考文獻(xiàn)(Sensitive absolute-gravity gradiometry using atom interferometry,J.EMcGuirk 等，Physical Review A，第 65 卷，033608 頁，2002 年)。但該測量裝置實(shí)際上仍然是兩個(gè)分立的重力儀，主要表現(xiàn)在兩個(gè)重力儀的物理裝置在空間上是獨(dú)立的，這一方面使得其相對(duì)距離的穩(wěn)定性很難保證，容易受到震動(dòng)及環(huán)境噪聲的影響；另一方面雖然兩個(gè)重力儀共用一對(duì)拉曼激光，實(shí)現(xiàn)了測量的時(shí)間同步，抑制了一部分環(huán)境噪聲，但在兩個(gè)重力儀內(nèi)部的兩個(gè)原子團(tuán)中間存在有兩個(gè)玻璃窗口和一段空氣，這就使得拉曼激光與第一(上方或下方)重力儀中的原子作用之后，與第二 (下方或上方)重力儀中的原子作用之前又先后經(jīng)過了兩個(gè)玻璃窗口以及中間的一段空氣，因此玻璃窗口的面型偏差、光潔度、平行度以及空氣的震動(dòng)、流動(dòng)以及氣壓變化都會(huì)造成與兩團(tuán)原子相作用的拉曼激光的相對(duì)相位的不一致性和不均勻性。如前文所述，拉曼激光的相位是原子干涉條紋相位的直接來源，而重力加速度信息又是從原子干涉條紋的相位差中直接提取而得到，因此拉曼激光的相位噪聲是重力加速度測量噪聲的主要來源，而這兩個(gè)玻璃窗口和中間的空氣使得來自于拉曼激光的測量噪聲無法有效的共模消除，這就使得該測量裝置的重力梯度測量靈敏度和精度很難進(jìn)一步提高；再次，由于使用兩個(gè)分立的重力儀，因此必須使用兩套獨(dú)立的真空泵組來分別實(shí)現(xiàn)和維持兩個(gè)重力儀真空容器的真空度，這使得整個(gè)測量裝置的體積、重量和功耗被迫維持在一個(gè)較高的水平。
[0006]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)是利用兩個(gè)分立重力儀進(jìn)行重力梯度測量，存在兩個(gè)重力儀之間的相對(duì)位置的穩(wěn)定性問題和玻璃窗口及空氣間隙引入系統(tǒng)偏差和噪聲的問題，以及測量裝置過于復(fù)雜的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，提供一種基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度測量傳感器。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本傳感器包含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第一、第二單元裝置，每個(gè)單元裝置包含有第一真空容器或第二真空容器、真空泵、堿金屬樣品、反向磁場線圈對(duì)、偏置磁場線圈、囚禁激光光束發(fā)射器、拉曼激光光束發(fā)射器和光電探測器；每個(gè)單元裝置的堿金屬樣品設(shè)置于第一真空容器或第二真空容器中，第一真空容器或第二真空容器的內(nèi)部與真空泵連通；以冷原子團(tuán)制備區(qū)為中心，空間對(duì)稱的六個(gè)方向分別設(shè)置有六個(gè)發(fā)射方向指向該中心的囚禁激光光束發(fā)射器，同時(shí)以其中一對(duì)方向?yàn)檩S，對(duì)稱地設(shè)置有一對(duì)反向磁場線圈對(duì)；以第一真空容器或第二真空容器的中軸線為方向設(shè)置有偏置磁場線圈，另有光電探測器設(shè)置于原子團(tuán)運(yùn)動(dòng)路徑的末端；
[0010]第一真空容器和第二真空容器以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成真空容器，并且第一真空容器和第二真空容器內(nèi)部空心部分連通為一體；在真空容器沿重力場方向的中軸線上，分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向冷原子團(tuán)制備區(qū)的拉曼激光光束發(fā)射器，兩個(gè)單元裝置共用一對(duì)拉曼激光光束發(fā)射器，可共模消除來自于環(huán)境中的噪聲和偏差。
[0011]本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0012]1、兩個(gè)單元裝置共用一對(duì)拉曼激光光束發(fā)射器，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單元裝置的同步測量，以使得來自于環(huán)境中的噪聲和偏差共模相消；
[0013]2、真空容器內(nèi)部連為一體，使得拉曼激光在兩團(tuán)冷原子之間的傳播路徑為真空，可以徹底消除由玻璃窗口和空氣間隙引入的系統(tǒng)測量偏差和噪聲，使得來自于拉曼激光相位的測量噪聲和偏差共模相消，大幅度提高測量的精度和靈敏度；
[0014]3、提高了上下兩個(gè)冷原子干涉環(huán)路的相對(duì)位置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制相對(duì)位置變化對(duì)測量帶來的不穩(wěn)定因素；
[0015]4、僅用一套真空泵，降低物理系統(tǒng)的復(fù)雜程度、體積、質(zhì)量和功耗；
[0016]5、真空容器選擇鈦金屬材料或全玻璃結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)不銹鋼材料具有更好的無磁特性，可抑制真空容器攜帶不均勻磁場造成激光相位偏差的累加；相對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金材料具有更好的抗渦流特性，使測量過程中可以更快地開關(guān)磁場，提高測量的速度；
[0017]6、既可采用上拋式結(jié)構(gòu)又可采用下落式結(jié)構(gòu)。采用上拋式結(jié)構(gòu)以加倍原子團(tuán)浮空的時(shí)間，增大拉曼激光脈沖作用的間隔，提高測量的靈敏度；采用下落式結(jié)構(gòu)，僅僅依靠重力來實(shí)現(xiàn)冷原子團(tuán)的發(fā)射，減小激光系統(tǒng)的復(fù)雜性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本傳感器采用上拋式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本傳感器采用下落式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為真空容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為囚禁激光光束發(fā)生器的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0022]圖5為拉曼激光光束發(fā)生器的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0023]圖6為三維磁光阱示意圖；
[0024]圖7為三能級(jí)原子受激拉曼躍遷示意圖；
[0025]圖8為原子干涉示意圖。
[0026]其中:
[0027]A—第一(重力敏感型原子干涉)單元裝置；
[0028]B—第二 (重力敏感型原子干涉)單元裝置；
[0029]I 一真空容器，
[0030]1.1一第一真空容器，
[0031]1.11一第一柱體，1.12—第一多面體；
[0032]1.2—第二真空容器，
[0033]1.21—第二柱體，1.22—第二多面體；
[0034]2—真空泵；
[0035]3—堿金屬樣品；
[0036]4一反向磁場線圈對(duì)；
[0037]5一偏置磁場線圈；
[0038]6—囚禁激光光束發(fā)生器，
[0039]6.1一第一激光器,6.2一聲光移頻器，6.3一光傳播器；
[0040]7—拉曼激光光束發(fā)生器，
[0041]7.1一第二激光器,7.2一偏振分光器；
[0042]7.31 一第一移頻器，7.32一第二移頻器；
[0043]7.41 一第一光傳播器，7.42—第二光傳播器；
[0044]8—光電探測器；
[0045]a —囚禁激光光束；
[0046]b一拉曼激光脈沖對(duì)；
[0047]c一冷原子團(tuán)；
[0048]d—上拋后冷原子團(tuán)；
[0049]e—原子基態(tài)下能級(jí)；
[0050]f一原子基態(tài)上能級(jí)；[0051]g—原子激發(fā)態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明:
[0053]一、總體
[0054]如圖1、2，本傳感器包含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第一、第二單元裝置A、B，每個(gè)單元裝置包含有第一真空容器1.1或第二真空容器1.2、真空泵2、堿金屬樣品3、反向磁場線圈對(duì)
4、偏置磁場線圈5、囚禁激光光束發(fā)射器6、拉曼激光光束發(fā)射器7和光電探測器8 ;每個(gè)單元裝置的堿金屬樣品3設(shè)置于第一真空容器1.1或第二真空容器1.2中，第一真空容器1.1或第二真空容器1.2的內(nèi)部與真空泵2連通；以冷原子團(tuán)c制備區(qū)為中心，空間對(duì)稱的六個(gè)方向分別設(shè)置有六個(gè)發(fā)射方向指向該中心的囚禁激光光束發(fā)射器6，同時(shí)以其中一對(duì)(圖中構(gòu)型為垂直紙面方向的一對(duì)，無法畫出)方向?yàn)檩S，對(duì)稱地設(shè)置有一對(duì)反向磁場線圈對(duì)4 ;以第一真空容器1.1或第二真空容器1.2的中軸線為方向設(shè)置有偏置磁場線圈5，另有光電探測器8設(shè)置于原子團(tuán)運(yùn)動(dòng)路徑的末端；
[0055]第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成真空容器1，并且第一真空容器1.1和第二真空容器1.2內(nèi)部空心部分連通為一體；在真空容器I沿重力場方向的中軸線上，分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向冷原子團(tuán)c制備區(qū)的拉曼激光光束發(fā)射器7，兩個(gè)單元裝置共用一對(duì)拉曼激光光束發(fā)射器7，可共模消除來自于環(huán)境中的噪聲和偏差。
[0056]工作機(jī)理:
[0057]1、傳感器包含有兩個(gè)單元裝置，第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成真空容器1，其頂端和底端各安裝有玻璃窗口，可使得拉曼激光脈沖對(duì)b沿該方向無阻礙地貫穿整個(gè)真空容器I。
[0058]其效果是:
[0059]I)該方案使得拉曼激光在兩團(tuán)冷原子之間的傳播路徑為真空，可以徹底消除由玻璃窗口和空氣間隙引入的系統(tǒng)測量偏差和噪聲，使得拉曼激光的絕對(duì)相位噪聲共模相消，提高測量的精度和靈敏度；
[0060]2)該方案提高了上下兩個(gè)冷原子干涉環(huán)路的相對(duì)位置的穩(wěn)定性，抑制相對(duì)位置變化對(duì)測量帶來的不穩(wěn)定因素；
[0061]3)該方案可以使得整個(gè)測量裝置僅用一套真空泵，降低物理系統(tǒng)的復(fù)雜程度、體積、質(zhì)量和功耗。
[0062]2、真空容器I使用鈦金屬材料或全玻璃結(jié)構(gòu)
[0063]其效果是:該方案使得整個(gè)傳感器的無磁特性大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)不銹鋼材料，可避免整個(gè)容器攜帶非均勻磁場使得原子能級(jí)的賽曼劈裂發(fā)生起伏，從而導(dǎo)致激光相位偏差的累加；同時(shí)使得整個(gè)傳感器的米樣率指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)招合金材料，由于鈦材料的電阻遠(yuǎn)大于鋁材料，故可以減少磁場開關(guān)過程中所產(chǎn)生的感應(yīng)渦流存在的時(shí)間，提高測量的速度。
[0064]3、采用如圖1所示的上拋式結(jié)構(gòu)或如圖2所示的下落式結(jié)構(gòu)
[0065]如圖1，上拋式結(jié)構(gòu)是第一真空容器1.1的第一柱體1.11和第二真空容器1.2的第二柱體1.21分別在第一多面體1.12和第二多面體1.22的上方；[0066]其效果是:加倍原子團(tuán)浮空的時(shí)間，增大拉曼激光脈沖作用的間隔，以提高測量的靈敏度。
[0067]如圖2，下落式結(jié)構(gòu)是第一真空容器1.1的第一柱體1.11和第二真空容器1.2的第二柱體1.21分別在第一多面體1.12和第二多面體1.22的下方；
[0068]其效果是:僅僅依靠重力來實(shí)現(xiàn)冷原子團(tuán)的發(fā)射，以減小激光系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0069]二、功能部件
[0070]1、真空容器I
[0071 ] 如圖3，真空容器I是一種由材料為鈦金屬或全玻璃制成的第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成的長型容器，中部窗口和真空泵2連通；要求此容器確保真空度優(yōu)于10_6Pa。
[0072]*第一真空容器1.1
[0073]第一真空容器1.1由以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接的第一柱體1.11和第一多面體1.12組成。
[0074]** 第一柱體 1.11
[0075]第一柱體1.11為空心圓柱體或方柱體,其尺寸由實(shí)際需求決定；該柱體頂部、底部和側(cè)壁上設(shè)置有與內(nèi)部空心部分連通的通光窗口，除與真空容器I的其他組成部件和真空泵2連通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。
[0076]** 第一多面體 1.12
[0077]第一多面體1.12為空心的對(duì)稱多面體，其中心為第一單元裝置A的冷原子團(tuán)c制備區(qū)，其面數(shù)和尺寸由實(shí)際需求決定；該多面體的每個(gè)面均設(shè)置了與內(nèi)部空心部分連通的圓形通光窗口，除與真空容器I的其他組成部件連通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。
[0078]*第二真空容器1.2
[0079]第二真空容器1.2由以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接的第二柱體1.21和第二多面體1.22組成；
[0080]** 第二柱體 1.21
[0081]第二柱體1.21為空心圓柱體或方柱體，其尺寸由實(shí)際需求決定；該柱體頂部、底部和側(cè)壁上設(shè)置有與內(nèi)部空心部分連通的通光窗口，除與真空容器I的其他組成部件和真空泵2連通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。
[0082]林第二多面體1.22
[0083]第二多面體1.22的結(jié)構(gòu)和尺寸同第一多面體1.21，其中心為第二單元裝置B的冷原子團(tuán)c制備區(qū)；該多面體的每個(gè)面均設(shè)置了與內(nèi)部空心部分連通的圓形通光窗口，除與真空容器I的其他組成部件連通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。
[0084]2、真空泵2
[0085]真空泵2是一種通用真空獲得裝置，選用分子泵、離子泵或吸氣劑泵。
[0086]3、堿金屬樣品3
[0087]堿金屬樣品3選用鋰、鈉、鉀、銣和銫等堿金屬元素中的一種或幾種。
[0088]4、反向磁場線圈對(duì)4
[0089]反向磁場線圈對(duì)4由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的通用線圈組成，由金屬導(dǎo)線繞制而成；兩線圈的中軸線重合，中心間距由真空容器I的結(jié)構(gòu)決定；反向磁場線圈對(duì)4通過大小相等方向相反的電流，可獲得對(duì)稱中心為零的梯度四極磁場。
[0090]5、偏置磁場線圈5
[0091]偏置磁場線圈5是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制而成，可在其軸向產(chǎn)生均勻的恒定磁場。
[0092]6、囚禁激光光束發(fā)射器6
[0093]如圖4，囚禁激光光束發(fā)射器6是一種由依次連接的第一激光器6.1、聲光移頻器
6.2和光傳播器6.3組成的光學(xué)系統(tǒng),用于獲取冷卻和囚禁堿金屬原子的激光光束。
[0094]*第一激光器6.1
[0095]第一激光器6.1是一種輸出頻率與所用的堿金屬原子的D2線躍遷頻率相近的連續(xù)激光器(半導(dǎo)體激光器、鈦寶石激光器或染料激光器)；其功能是提供單模連續(xù)激光束。
[0096]*聲光移頻器6.2
[0097]聲光移頻器6.2是一種商用聲光調(diào)制器，其型號(hào)根據(jù)所需要的調(diào)制頻率來選??；其功能是使激光器產(chǎn)生的激光頻率調(diào)整到與原子躍遷的頻率近共振。
[0098]*光傳播器6.3
[0099]光傳播器6.3是一種通用的光纖準(zhǔn)直透鏡組(由前后連接的光纖耦合器和單模保偏光纖組成)或反射鏡組；其功能是將激光束引導(dǎo)到真空容器I中，用于冷卻和囚禁原子。
[0100]7、拉曼激光光束發(fā)射器7
[0101]如圖5,拉曼激光光束發(fā)射器7是一種由第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第一移頻器7.31、第二移頻器7.32、第一光傳播器7.41和第二光傳播器7.42組成的光學(xué)系統(tǒng)；第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第一移頻器7.31和第一光傳播器7.41依次連接,得到第一拉曼激光光束；第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第二移頻器7.32和第二光傳播器7.42依次連接，得到第二拉曼激光光束。
[0102]*第二激光器7.1
[0103]第二激光器7.1是一種輸出頻率與所用的堿金屬原子的D2線躍遷頻率相近的連續(xù)激光器(半導(dǎo)體激光器、鈦寶石激光器或染料激光器)；其功能是提供單模連續(xù)激光束。
[0104]*偏振分光器7.2
[0105]偏振分光器7.2是一種商用偏振分光器；其功能是將第二激光器7.1產(chǎn)生的激光束分成偏振方向相互垂直的兩束。
[0106]*第一移頻器7.31
[0107]第一移頻器7.31是一種商用的聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或光學(xué)鎖相環(huán)，其型號(hào)根據(jù)需要的調(diào)制頻率來選取；其功能是使第一拉曼激光光束的頻率相對(duì)于原子基態(tài)下能級(jí)e到原子激發(fā)態(tài)g的躍遷頻率遠(yuǎn)失諧。
[0108]*第二移頻器7.32
[0109]第二移頻器7.32是一種商用的聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或光學(xué)鎖相環(huán)，其型號(hào)根據(jù)需要的調(diào)制頻率來選??；其功能是使第一拉曼激光光束的頻率相對(duì)于原子基態(tài)上能級(jí)f到原子激發(fā)態(tài)g的躍遷頻率遠(yuǎn)失諧。
[0110]*第一光傳播器7.41
[0111]第一光傳播器7.41是一種通用的光纖準(zhǔn)直透鏡組(由前后連接的光纖耦合器和單模保偏光纖組成)或反射鏡組；其功能是將激光束引導(dǎo)到真空容器I中，用于實(shí)現(xiàn)冷原子的拉曼躍遷。
[0112]*第二光傳播器7.42
[0113]第二光傳播器7.42同第一光傳播器7.41。
[0114]8、光電探測器8
[0115]光電探測器8是一種通用的熒光信號(hào)的測量儀器，可以是半導(dǎo)體光電二極管或光電倍增管。
[0116]3、工作原理
[0117]以下按照冷原子團(tuán)的制備、冷原子團(tuán)的發(fā)射、原子干涉及數(shù)據(jù)提取三個(gè)過程闡述本傳感器的工作原理。
[0118]真空容器I內(nèi)的堿土金屬樣品3在常溫或微加熱的條件下升華為稀薄的原子蒸氣并充滿于真空容器I內(nèi)。以冷原子團(tuán)C制備區(qū)域?yàn)橹行膶?duì)稱設(shè)置有三對(duì)兩兩對(duì)射且相互垂直的囚禁激光光束發(fā)射器6，所發(fā)射的六束囚禁激光光束a相交于該中心。由6束囚禁激光光束a和一對(duì)反向磁場線圈對(duì)4可以構(gòu)成冷卻和囚禁堿金屬原子的三維磁光阱，其原理圖如圖6所示,具體工作原理如下:
[0119]頻率為ω的激光與速度為V的堿金屬原子相互作用時(shí)，在激光頻率ω相對(duì)于原子在基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的共振躍遷頻率Otl紅失諧(即ω〈 ω)的條件下，激光頻率越接近原子的共振頻率，原子對(duì)光子的吸收率越大。由于多普勒效應(yīng)，當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與激光的傳播方向相同時(shí)，原子感受到的激光頻率為ω-kv，當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與激光的傳播方向相反時(shí)，原子感受到的激光頻率為ω+kv，其中，k為激光的波矢。因此，一個(gè)具有一定初速度V的原子與一對(duì)頻率相同、強(qiáng)度相同的對(duì)向傳播的激光作用時(shí)，原子會(huì)更多的吸收傳播方向與原子速度方向相反的激光，從而獲得一個(gè)與原子初速度方向相反的作用力，實(shí)現(xiàn)原子減速。利用圖6所示的三對(duì)兩兩對(duì)射且相互垂直的囚禁激光光束a能夠?qū)崿F(xiàn)原子的三維減速。磁光阱中的反向磁場線圈對(duì)4的中心與六束囚禁激光光束a的交點(diǎn)重合，其作用是產(chǎn)生一個(gè)中心為0，且沿三維方向強(qiáng)度增加的梯度磁場。由于賽曼效應(yīng)會(huì)使得能級(jí)隨著磁場強(qiáng)度的變化而發(fā)生移動(dòng)，因此可以通過選擇適當(dāng)?shù)能S遷磁子能級(jí)使得偏離中心的原子以更大的幾率吸收指向中心的光子從而獲得具有囚禁作用的回復(fù)力，使得原子被冷卻和囚禁在磁光阱的中心區(qū)域，獲得原子數(shù)密度足夠高的冷原子團(tuán)。
[0120]冷原子團(tuán)制備完成之后，需要令其在重力場中做自由落體運(yùn)動(dòng)。本傳感器可采用如圖1所示的上拋式結(jié)構(gòu)，或者如圖2所示的下落式結(jié)構(gòu)。選用下落式結(jié)構(gòu)時(shí)，首先關(guān)閉由反向磁場線圈對(duì)4所產(chǎn)生的磁場，然后關(guān)閉全部六束囚禁激光光束，則原子可在重力的作用下實(shí)現(xiàn)自由下落。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于簡便易行，不必改變激光的頻率以增加激光系統(tǒng)的復(fù)雜性。選用上拋式結(jié)構(gòu)時(shí)，首先關(guān)閉由反向磁場線圈對(duì)4所產(chǎn)生的磁場，然后將具有沿重力場方向向上分量的激光光束的頻率調(diào)低將具有沿重力場方向向下分量的激光光束的頻率調(diào)高由于多普勒效應(yīng)，原子吸收具有向上方向分量的光子的幾率增加，將獲得值為ν=λ Afsine的向上初速度，實(shí)現(xiàn)向上的發(fā)射，其中λ為激光的波長，Θ為激光光束與重力方向的夾角。這種上拋式結(jié)構(gòu)可以在相同的裝置高度下，使原子獲得加倍的浮空時(shí)間以及拉曼脈沖間隔，而拉曼脈沖之間的時(shí)間間隔直接關(guān)系到測量的靈敏度，因此該結(jié)構(gòu)可以獲得更高的測量精度。
[0121]冷原子團(tuán)發(fā)射之后，沿重力方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，在浮空過程中，下落到光電探測器8的探測區(qū)域之前，利用拉曼激光光束發(fā)射器7先后發(fā)射π /2、π、π /2三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b，三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b之間的時(shí)間間隔均為T。利用這種/2- - Ji /2脈沖構(gòu)型，可以實(shí)現(xiàn)冷原子干涉儀，并用于測量本地重力加速度。具體工作原理如下:
[0122]拉曼激光脈沖對(duì)b與堿金屬原子的作用可用圖7所示的三能級(jí)原子與光場相互作用模型表示，其中e、f為原子兩個(gè)基態(tài)子能級(jí)，g為原子激發(fā)態(tài)。拉曼激光脈沖對(duì)由頻率為ω ι> ω2的兩束激光構(gòu)成，該脈沖對(duì)與原子相互作用時(shí)，通過選擇合適的ω2，使ω?、W2相對(duì)于原子能級(jí)之間躍遷頻率的失諧△ >> 0-為原子激發(fā)態(tài)能級(jí)寬度)，可以有效抑制原子的自發(fā)輻射。因此原子只能通過對(duì)激光光子的受激吸收或受激輻射來改變其內(nèi)部狀態(tài)，從而構(gòu)成雙光子受激拉曼躍遷，并且在吸收和釋放光子的過程中，原子的動(dòng)量也發(fā)生變化，使得原子外部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與內(nèi)部能態(tài)相關(guān)聯(lián)。
[0123]在Λ >> 且Λ >> Ω2 (Q1, Ω 2分別為構(gòu)成拉曼激光脈沖對(duì)b的兩束激光的拉比頻率)的大失諧條件下，原子激發(fā)態(tài)g可以被絕熱消除，該三能級(jí)原子等效為只有原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的二能級(jí)原子，初態(tài)處于原子基態(tài)下能級(jí)e的原子與拉曼激光脈沖對(duì)b發(fā)生雙光子受激拉曼躍遷作用后，原子處在原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的概率分別為Pe = (l+cosQefft)/2和Pf = (l-C0SQefft)/2，其中t是拉曼激光脈沖對(duì)b的作用時(shí)間，Qeff是拉曼激光脈沖對(duì)b的有效拉比頻率。以上式子表明原子最終處于a態(tài)的概率隨拉曼激光脈沖對(duì)b作用時(shí)間t的變化曲線是以Ω eff為周期的正弦曲線，作用時(shí)間為t= π/2Ω@的脈沖稱為/2拉曼激光脈沖對(duì)b，t = 3?/Ω@的脈沖稱為π拉曼激光脈沖對(duì)b。
[0124]用/2--Ji/2構(gòu)型的拉曼激光脈沖對(duì)b依次作用于初態(tài)為原子基態(tài)下能級(jí)e的原子，在不考慮地球重力場影響的條件下，原子在三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖8所示。第一個(gè)π/2拉曼激光脈沖對(duì)b使原子處于原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的疊加態(tài)，并且在空間上將處于原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的原子分開，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的反射鏡；η拉曼激光脈沖對(duì)b使處于原子基態(tài)下能級(jí)e的原子變?yōu)樵踊鶓B(tài)上能級(jí)f，處于原子基態(tài)上能級(jí)f的原子變?yōu)樵踊鶓B(tài)下能級(jí)e，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的反射鏡；第二個(gè)π/2拉曼激光脈沖對(duì)b使兩個(gè)不同路徑的原子產(chǎn)生干涉效應(yīng)，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的合束，這樣就構(gòu)成一個(gè)冷原子干涉儀。設(shè)三對(duì)拉
曼激光脈沖對(duì)b的初始相位^^分別為(PU，原子與三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b作用后處于原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的概率分別為乃=(I+ Cos^1 -2φ2+φ,))/2和Pf =(l-cos(^-1xp1 +φ,))!2 ,由上述式子可以得到，原子最終處于原子基態(tài)下能級(jí)e或原子基態(tài)上能級(jí)f的概率隨三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b的位相變化做正弦振蕩，這個(gè)正弦條紋為干涉條紋，^ = ? +朽為干涉條紋的相位。
[0125]如果考慮地球重力場的影響，原子在地球重力場中自由下落，并且三對(duì)拉曼激光脈沖對(duì)b的初始相位在空間穩(wěn)定分布，脈沖之間時(shí)間間隔T相等，則干涉條紋末態(tài)相位的改
變量為Δ妒=keff -fr2，其中^^為拉曼激光脈沖對(duì)b的有效波矢，此式表明干涉儀的末態(tài)相位只和拉曼激光脈沖對(duì)b的有效波矢,本地重力加速度f以及脈沖之間的時(shí)間間隔T有關(guān)。因此通過測量末態(tài)原子在原子基態(tài)下能級(jí)e和原子基態(tài)上能級(jí)f的布居數(shù)就能得到本地重力加速度袞=
[0126]在Ji /2- - Ji /2構(gòu)型的原子干涉儀中，將第三個(gè)拉曼激光脈沖對(duì)b的相位變化δφ貝抹態(tài)中原子處于原子基態(tài)下能級(jí)e的概率為6=1(1 + α>3(‘.;2+知))，通過在
每次干涉過程中改變不同的知，可以得到一個(gè)Pe關(guān)于如的正弦曲線，擬合該正弦曲線的相位，就能夠計(jì)算出重力加速度的大小和不確定度。對(duì)于兩個(gè)原子干涉儀組成的重力梯度儀，我們也可以將兩個(gè)干涉條紋分別擬合計(jì)算出重力值，然后相減可以得到重力梯度值，但是這樣做得到的重力梯度的方差是兩個(gè)單獨(dú)重力儀方差的和，無法達(dá)到共模抑制條紋相位噪聲的目的。為了更好的抑制兩個(gè)干涉儀的共模噪聲，采用橢圓擬合的方法處理數(shù)據(jù)。
[0127]橢圓擬合的原理如下:設(shè)兩個(gè)干涉儀的干涉條紋分別為匕=A sin(W +&/?) +戽
和Pa2 = A2 &--(φ2 +δφ) + Β2，其中Δ識(shí)=釣-φ2為兩個(gè)干涉儀的相位差。將上述兩個(gè)方程消去#，可以得到Pal和Pa2的關(guān)系為
[0128]
A^(Pal)2 ^Af(Pa2)2 -1AlA1PalPa2 cosA妒-2為(盡為-A1B2 cosΑφ)Ρα? -2為(為52 -Α2Βιοο$Αφ)Ρα2
++ A;Bl - 2為BiA2B2 cosAf- AfA; (1- cos2 Αφ)=0
[0129]在Δρ#0(或;r)時(shí)上述方程是一個(gè)橢圓方程，以目標(biāo)函數(shù)Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F =O對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，則兩個(gè)干涉儀的相位差滿足\φ = arccos(-B/(2-JAC)),運(yùn)用最小二乘擬合法得到參數(shù)A、B、C、D、E、F的值，從而得到Δ糾的值，并由Δ爐獲取重力梯度的值。
[0130]上述橢圓擬合的方程中沒有出現(xiàn)兩個(gè)干涉條紋的相位約和口而只出現(xiàn)了條紋的相位差Δ爐=的-爐由此，環(huán)境中各種對(duì)兩個(gè)干涉儀末態(tài)相位起相同作用的噪聲可以被有效消除。因此用橢圓擬合的方法能有效抑制兩個(gè)干涉儀的共模相位噪聲，提高測量的精度和靈敏度。
[0131]綜上所述，本傳感器與已有的利用兩個(gè)分立重力儀的測量方案相比，可以消除由玻璃窗片的面型偏差、平行度偏差以及空氣間隙所造成的系統(tǒng)測量偏差及噪聲，大幅度提高測量的精度和靈敏度；此外，本傳感器具有更優(yōu)秀的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，由于重力梯度的數(shù)值是重力差與間距的比值，因此物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也可以在很大程度上抑制測量的偏差；再次，本傳感器可以令上下單元裝置共用一套真空泵組，可以另真?zhèn)€裝置更加簡潔，同時(shí)具有更低的體積、重量和功耗。
【權(quán)利要求】
1.一種基于原子干涉效應(yīng)的垂向重力梯度傳感器，包含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第一、第二單元裝置(A、B)，每個(gè)單元裝置包含有第一真空容器(1.1)或第二真空容器(1.2)、真空泵(2)、堿金屬樣品(3)、反向磁場線圈對(duì)(4)、偏置磁場線圈(5)、囚禁激光光束發(fā)射器(6)、拉曼激光光束發(fā)射器(7)和光電探測器(8);每個(gè)單元裝置的堿金屬樣品(3)設(shè)置于第一真空容器(1.1)或第二真空容器(1.2)中，第一真空容器(1.1)或第二真空容器(1.2)的內(nèi)部與真空泵(2)連通；以冷原子團(tuán)(c)制備區(qū)為中心，空間對(duì)稱的六個(gè)方向分別設(shè)置有六個(gè)發(fā)射方向指向該中心的囚禁激光光束發(fā)射器(6),同時(shí)以其中一對(duì)方向?yàn)檩S,對(duì)稱地設(shè)置有一對(duì)反向磁場線圈對(duì)(4);以第一真空容器(1.1)或第二真空容器(1.2)的中軸線為方向設(shè)置有偏置磁場線圈(5)，另有光電探測器(8)設(shè)置于原子團(tuán)運(yùn)動(dòng)路徑的末端； 其特征在于: 第一真空容器(1.1)和第二真空容器(1.2)以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接組成真空容器(I)，并且第一真空容器(1.1)和第二真空容器(1.2)內(nèi)部空心部分連通為一體；在真空容器(I)沿重力場方向的中軸線上，分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向冷原子團(tuán)(c)制備區(qū)的拉曼激光光束發(fā)射器(7)，兩個(gè)單元裝置共用一對(duì)拉曼激光光束發(fā)射器(7)，可共模消除來自于環(huán)境中的噪聲和偏差。
2.按權(quán)利要求1所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 第一單元裝置(A)和第二單元裝置(B)共用一個(gè)真空泵(2)。
3.按權(quán)利要求1所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 由鈦金屬材料或全玻璃材料制成的第一真空容器(1.1)由以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接的第一柱體(1.11)和第一多面體(1.12)組成；. 第一多面體(1.12)的中心是第一單元裝置(A)的冷原子團(tuán)(c)制備區(qū)。
4.按權(quán)利要求1所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 由鈦金屬材料或全玻璃材料制成的第二真空容器(1.2)由以中軸線沿重力方向重合的方式首尾相接的第二柱體(1.21)和第二多面體(1.22)組成； 第二多面體(1.22)的中心是第二單元裝置(B)的冷原子團(tuán)(c)制備區(qū)。
5.按權(quán)利要求1、3和4所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 真空容器(I)采用上拋式結(jié)構(gòu)或下落式結(jié)構(gòu)； 所述的上拋式結(jié)構(gòu)是第一真空容器(1.1)的第一柱體(1.11)和第二真空容器(1.2)的第二柱體(1.21)分別在第一多面體(1.12)和第二多面體(1.22)的上方； 所述的下落式結(jié)構(gòu)是第一真空容器(1.1)的第一柱體(1.11)和第二真空容器(1.2)的第二柱體(1.21)分別在第一多面體(1.12)和第二多面體(1.22)的下方。
6.按權(quán)利要求1所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 所述的囚禁激光光束發(fā)射器(6)是一種由依次連接的第一激光器(6.1)、聲光移頻器(6.2)和光傳播器(6.3)組成的光學(xué)系統(tǒng)。
7.按權(quán)利要求1所述的垂向重力梯度傳感器，其特征在于: 所述拉曼激光光束發(fā)射器(7)是一種由第二激光器(7.1)、偏振分光器(7.2)、第一移頻器(7.31)、第二移頻器(7.32)、第一光傳播器(7.41)和第二光傳播器(7.42)組成的光學(xué)系統(tǒng)； 第二激光器(7.1)、偏振分光器(7.2)、第一移頻器(7.31)和第一光傳播器(7.41)依次連接，得到第一拉曼激光光束；第二激光器(7.1)、偏振分光器(7.2)、第二移頻器(7.32)和第二光傳播器(7.42)依次連接，得到第二拉曼激光光束。
【文檔編號(hào)】G01V7/00GK103472495SQ201310437156
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】宋宏偉, 仲嘉琪, 陳曦, 熊宗元, 朱磊, 王玉平, 李大偉, 王謹(jǐn), 詹明生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所