基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，屬于重力勘測【技術(shù)領(lǐng)域】。由兩個結(jié)構(gòu)相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元組成；或由兩個結(jié)構(gòu)相同的第1重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元通過真空管道連通組成；第1重力敏感型冷原子干涉單元由自下而上依次連接的第1冷原子束產(chǎn)生部分、第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分和第1原子干涉及探測部分組成。解決了冷原子束產(chǎn)生裝置中出射原子被推載激光照射的問題；大幅提高了原子干涉重力梯度儀的測量帶寬；通過真空管道在拉曼激光光束傳播路徑上連通的結(jié)構(gòu)可避免由空氣間隙及窗片結(jié)構(gòu)偏差所引入的系統(tǒng)誤差和噪聲。
【專利說明】基于冷原子束干涉儀的水平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】，特別涉及一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]地質(zhì)結(jié)構(gòu)中質(zhì)量和密度分布的不均勻會導(dǎo)致地表重力及重力梯度場的異常。而作為重力位的更高階微商，重力梯度場具有比重力場更高的空間分辨率和靈敏度。因此，重力梯度測量在資源勘察、環(huán)境監(jiān)測和國防建設(shè)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用和重要意義。
[0003]目前較成熟的重力梯度儀方案主要包括:美國Bell Aerospace公司和澳大利亞BHP Billiton 公司所采用的“旋轉(zhuǎn)加速度計方案”(J.B.Lee,FALCON gravity gradiometertechnology, BHP Billiton Discovery Technologies, I ~4，1992)、英國 ARKeX 公司所米用的“超導(dǎo)方案”(M.V.Moody, H.J.Paik, and E.R.Canavanc, Three-axissuperconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments, Rev.Sc1.1nstrum.73, 3957，2002)、法國航空航天中心(ONERA)所采用的“靜電加速度計方案”(PTouboul, B Foulon, M Rodrigues, J.P Marque, In orbit nano-g measurements, lessonsfor future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431, 2004),以及本發(fā)明所涉及的“原子干涉儀方案” (M.J.Snadden, J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al,Measurement of the earth’ s gravity gradient with an atom interferometer-basedgravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971,1998)。
與旋轉(zhuǎn)加速度計和靜電加速度計方案相比，原子干涉儀方案具有更高的理論精度(目前已經(jīng)實現(xiàn)了 ICT121^?的單個重力儀(S.M.Dickerson, J.M.Hogan, A.Sugarbaker, et al,Multiaxis inertial sensing with long-time point source atom interferometry, Phys.Rev.Lett.111，083001，2013))，與精度相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)方案相比，由于不需要極端的超導(dǎo)條件，因此更具有體積、功耗和成本等方案的工程化優(yōu)勢。此外，其他各方案均以相對加速度計(重力儀)為構(gòu)成單元，無法給出絕對的重力值，而且不同加速度之間的系統(tǒng)誤差之差也會引入重力梯度測量的結(jié)果，而原子干涉重力梯度儀由兩個絕對重力梯度儀組成，不僅可以進行絕對的重力梯度測量，也可以一并給出絕對重力值。
[0004]早在1991年，美國斯坦福大學(xué)的Kasevich就在其導(dǎo)師朱棣文的帶領(lǐng)下實現(xiàn)了國際上第一個原子干涉儀并用于重力測量(M.Kasevich and S.Chu, Atomic interferometryusing stimulated Raman transitions, Phys.Rev.Lett.67, 181, 1991);隨后 Kasevich在耶魯大學(xué)成立研究小組并于1998年將兩個原子干涉重力儀垂向?qū)盈B并進行共模差分測量實現(xiàn)了第一個用于測量豎直重力梯度的原子干涉豎直重力梯度儀(M.J.Snadden,J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al, Measurement of the Earth’ s gravity gradient withan atom interferometer-based gravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971，1998)；2006年，Kasevich返回斯坦福大學(xué)并于2009年成功研制了一臺用于測量水平重力梯度的車載水平重力梯度儀，在經(jīng)過180秒的積分時間以后，其測量精度可以達到7萬(X.A.Wu,Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, StanfordUniversity, 2009)) (IE ^ W10g/m)o意大利佛羅倫薩大學(xué)的Tino小組采用了與斯坦福大學(xué)雙重力儀方案不同的單重力儀雙噴泉方案，經(jīng)過了 8000秒的積分時間，實現(xiàn)了精度為 0.5萬的垂向重力梯度測量(F.Sorrentino, Q.Bodart, L.Cacciapuoti, et al,Sensitivity limits of a Raman atom interferometer as a gravity gradiometer, Phys.Rev.A.89, 023607, 2014)。
[0005]重力梯度儀搭乘航空、航天飛行器可以突破山地、海洋等地理條件的限制，大幅提高勘測的效率，星載重力梯度儀甚至可以對全球的重力梯度進行測量，因此高分辨率航空、航天測量是重力梯度儀的重要發(fā)展方向，這就對其測量帶寬做出了很高的要求，而這恰恰是原子干涉重力梯度儀的短板所在。目前國際上所有的原子干涉重力及重力梯度測量方案全部基于脈沖發(fā)射的冷原子團，每發(fā)射一團原子只能獲得一個數(shù)據(jù)點，采樣完成后才能進行下一次發(fā)射，其中單次數(shù)據(jù)采集過程包括冷原子團的制備、上拋、態(tài)制備、拉曼激光脈沖相干操作和末態(tài)探測幾個步驟，其中單個冷原子團的制備通常要耗時0.3~I秒，使得單點采樣速率僅能達到0.5~2.5 Hz，而要獲得一個重力梯度的測量值往往需要多個不同相位的數(shù)據(jù)點進行擬合處理，這就使得實際的重力梯度測量帶寬普遍處于I Hz以下，要獲得高精度的測量值更是需要成千上萬秒的積分平均。目前，美國Bell Aerospace與加拿大McPHAR公司生產(chǎn)的基于GT-1A加速度計的航空重力梯度儀的測量帶寬可以達到100 Hz，搭乘Piper Navajo型飛機(140海里/小時)可實現(xiàn)I?的勘測線分辨率。而原子干涉重力梯度儀要滿足高分辨率航空、航天測量的需求，其測量帶寬是一個迫切需要解決的問題。
[0006]利用原子束代替原子團可以顯著提高原子干涉儀的采樣速率。美國的Kasevich小組曾經(jīng)使用連續(xù)的熱原子束干涉儀進行轉(zhuǎn)動測量，得到了時間連續(xù)的測量數(shù)據(jù)點，但由于熱原子束中的原子飛 行速度過快(在千米/秒量級)，要獲得高精度數(shù)據(jù)所需的拉曼激光相干操作時間，就必須要建造很大尺寸的測量裝置，無法滿足工程化的需求。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的盧征天等人曾在1996年演示了一種能產(chǎn)生冷原子束的方法并得到了束流5X IO9/ s，平均速度14 ，分布2.7 m/s的銣冷原子束。但是該方法所獲得的原子束始終在推射冷卻光的照射之下，無法對其內(nèi)態(tài)進行相干操作。清華大學(xué)的馮焱穎小組在橫向冷原子束產(chǎn)生裝置中曾利用重力讓原子下落從而避開冷卻光的照射。但是在重力梯度測量過程中，需要對原子進行豎直發(fā)射，而利用重力改變原子飛行軌跡的方法則需要很大尺寸的實驗裝置，因此并不適用。

【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)存在的缺點和不足，尤其是克服冷原子干涉重力梯度儀測量帶寬過低的問題，提供一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器。
[0008]所需解決的問題是:
1、如【背景技術(shù)】中所介紹，目前國際上所有的原子干涉重力梯度測量方案全部采用基于脈沖發(fā)射的冷原子團，每發(fā)射一團原子只能獲得一個數(shù)據(jù)點，而獲得一個梯度值往往需要多個不同相位的數(shù)據(jù)點進行擬合處理，這就使得重力梯度測量帶寬普遍處于IHZ以下，無法滿足高分辨率航空、航天測量的需求。[0009]2、為了提高原子干涉重力梯度儀的采樣速率，在理論上可以采用冷原子束替代冷原子團的實驗方案，但現(xiàn)有的冷原子束產(chǎn)生技術(shù)所獲得的原子束長時間處于推射冷卻光的照射之下，無法對其內(nèi)態(tài)進行相干操作，也就無法實現(xiàn)原子干涉。如果利用重力讓原子自由下落從而避開冷卻光的照射，則需要大尺寸的實驗裝置，無疑會大大增加實驗裝置系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性和空間占用，更不利于工程化和移動測量。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
第一，在現(xiàn)有冷原子束技術(shù)基礎(chǔ)上，通過二維橫向移動光學(xué)黏膠來解決推載冷卻光與原子軌跡重疊的問題；
第二，利用空間分立的連續(xù)拉曼激光方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的時間分立的脈沖拉曼激光方案，對冷原子束進行不間斷的相干操作和連續(xù)采樣，從而實現(xiàn)對水平重力梯度的準(zhǔn)連續(xù)測量，滿足高空間分辨率、高精度航空、航天測量的國家需求。
[0011]具體地說，本傳感器由兩個結(jié)構(gòu)相同的且在水平方向并行排列的第I重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元組成；
或由兩個結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元通過真空管道連通組成；
第I重力敏感型冷原子干涉單元由自下而上依次連接的第I冷原子束產(chǎn)生部分、第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分和第I原子干涉及探測部分組成。
[0012]本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果:
①解決了冷原子束產(chǎn)生裝置中出射原子被推載激光照射的問題，使冷原子束中的原子的內(nèi)態(tài)可以被自由地操作和演化；
②大幅提高了原子干涉重力梯度儀的測量帶寬，實現(xiàn)對水平重力梯度的準(zhǔn)連續(xù)測量，滿足高分辨率航空、航天測量的需求；
③第I重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元通過真空管道在拉曼激光光束傳播路徑上連通的結(jié)構(gòu)可避免由空氣間隙及窗片結(jié)構(gòu)偏差所引入的系統(tǒng)誤差和噪聲。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為雙光子躍遷的能級不意圖；
圖3為原子干涉不意圖。
[0014]圖中:
100—H I重力敏感型冷原子干涉單元；
110—H I冷原子束產(chǎn)生部分；
111一第I囚禁激光光束發(fā)射器；112—第I囚禁激光光束；
113—H 2囚禁激光光束發(fā)射器；114一第2囚禁激光光束；
115—HI三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
116—第I堿金屬源；
117—HI包含1/4波片的反射鏡組；
118—HI三維冷原子束； 120—H I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分；
—第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器；
122—HI移動二維光學(xué)黏膠激光光束；
123—HI 二維冷原子束；
130—第I原子干涉及探測部分；
131—HI拉曼激光光束發(fā)射器；132—第I拉曼激光光束；
133—H 2拉曼激光光束發(fā)射器；134—第2拉曼激光光束；
135—H 3拉曼激光光束發(fā)射器；136—第3拉曼激光光束；
137—H I光電探測器； 138—第I偏置磁場線圈；
200—H 2重力敏感型冷原子干涉單元；
210—H2冷原子束產(chǎn)生部分；
211—H3囚禁激光光束發(fā)射器；212—第3囚禁激光光束；
213—H 4囚禁激光光束發(fā)射器；214—第4囚禁激光光束；
215—第2三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
216—第2堿金屬源；
217—第2包含1/4波片的反射鏡組；
218—H2三維冷原子束；
220—H2冷原子束偏轉(zhuǎn)部分；
221—H2移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器；
222—H2移動二維光學(xué)黏膠激光光束；
222—H 2 二維冷原子束；
230—第2原子干涉及探測部分；
231—H4拉曼激光光束發(fā)射器；232—第4拉曼激光光束；
233—H 5拉曼激光光束發(fā)射器；234—第5拉曼激光光束；
235—H 6拉曼激光光束發(fā)射器；236—第6拉曼激光光束；
237—H 2光電探測器； 238—第2偏置磁場線圈；
300—真空管道；
1>一原子基態(tài)下能級；
2>—原子基態(tài)上能級；
3>一虛能級；
4>一原子激發(fā)態(tài)能級；
Δ一能級失諧量。
[0015]【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖和實例詳細說明:
一、總體
如圖1，本傳感器由兩個結(jié)構(gòu)相同的且在水平方向并行排列的第I重力敏感型冷原子干涉單元100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200組成；
或由兩個結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉單元100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200通過真空管道300連通組成； 第I重力敏感型冷原子干涉單元100由自下而上依次連接的第I冷原子束產(chǎn)生部分110、第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120和第I原子干涉及探測部分130組成。
[0016]二、功能部件
1、第I冷原子束產(chǎn)生部分110第I原子干涉及探測部分110包括第I囚禁激光光束發(fā)射器111、第2囚禁激光光束發(fā)射器113、第I三維磁光講反向亥姆赫茲線圈115、第I堿金屬源116和第I包含1/4波片的反射鏡組117 ;
以第I三維冷原子束118制備區(qū)為中心，豎直方向設(shè)置有I個發(fā)射方向指向該中心的第I囚禁激光光束發(fā)射器111，水平方向空間對稱地設(shè)置有2對發(fā)射方向指向該中心的第2囚禁激光光束發(fā)射器113，另有第I包含1/4波片的反射鏡組117置于該中心的正上方，同時以第I囚禁激光光束112的傳播方向為軸，空間對稱地設(shè)置有一對第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115。
[0017]2、第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120
第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120包括第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器121 ；
以第I 二維冷原子束123為中心，水平方向空間對稱地設(shè)置有2對發(fā)射方向指向該中心的第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器121。
[0018]3、第I原子干涉及探測部分130
第I原子干涉及探測部分130包括第I拉曼激光光束發(fā)射器131、第2拉曼激光光束發(fā)射器133、第3拉曼激光光束發(fā)射器135、第I光電探測器137和第I偏置磁場線圈138 ；在傳感器外部，沿與真空管道300垂直的方向自下而上依次設(shè)置有第I拉曼激光光束發(fā)射器131、第2拉曼激光光束發(fā)射器133、第3拉曼激光光束發(fā)射器135 ;沿真空管道300的方向空間對稱地設(shè)置有一對第I偏置磁場線圈138，另有第I光電探測器137設(shè)置于原子束運動路徑的末端。
[0019]*第1、2囚禁激光光束發(fā)射器111、113，第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器121和第1、2、3拉曼激光光束發(fā)射器131、133、135均是一種由例如半導(dǎo)體激光器的通用激光器和例如透鏡、棱鏡、聲光、電光調(diào)制器等通用光學(xué)元件構(gòu)成的調(diào)整系統(tǒng)以及例如光纖等通用傳播器件相連接構(gòu)成的發(fā)射終端，末端可以是光纖準(zhǔn)直透鏡或反射鏡系統(tǒng)。
[0020]*第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制而成。
[0021]*第I偏置磁場線圈138是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制而成。
[0022]*第I堿金屬源116可以是鋰、鈉、鉀、銣、銫等堿金屬元素的一種或幾種。
[0023]*第I包含1/4波片的反射鏡組117由一個中心帶小孔的1/4波片和一個中心也帶小孔的反射鏡平行擱置組成。
[0024]*第I重力敏感型冷原子干涉單元100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束 132、134、136、232、234、236。
[0025]由以上說明可看出，本傳感器具有下列特點:
第I重力敏感型冷原子干涉單元100由自下而上依次連接的第I冷原子束產(chǎn)生部分110、第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120和第I原子干涉及探測部分130組成；其中第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120由兩對第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束122組成；第I重力敏感型冷原子干涉單元100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200在拉曼激光光束傳播路徑上可以用真空管道300連通；第I重力敏感型冷原子干涉單元100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束 132、134、136、232、234、236。
[0026]三、工作原理
本發(fā)明的工作原理可以分解為以下幾個過程進行簡述:冷原子束的囚禁、發(fā)射、冷原子束的偏轉(zhuǎn)、態(tài)制備、原子干涉、以及數(shù)據(jù)處理過程。
[0027]I)冷原子束的囚禁、發(fā)射過程
如圖1所示，由豎直一對第I囚禁激光光束112、水平兩對第2囚禁激光光束114和第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115組成一個三維磁光阱，可以完成對堿金屬原子的囚禁，同時實現(xiàn)發(fā)射。其具體工作原理如下囚禁過程:
假設(shè)頻率為ω的激光(激光的波矢為Α)與一團速度為r的原子發(fā)生相互作用，在紅失諧的情況下(激光的頻率要小于原子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級之間的共振躍遷頻率《O，即?〈《O)，由于多普勒效應(yīng)，當(dāng)原子的運動方向與激光的傳播方向相同時，原子感受到的激光頻率可以表示為(ω-左.v),當(dāng)原子的運動方向與激光的傳播反向相反時,原子感受到的激光頻率就表示為(ω +A.K)。一般情況下,原子感受到的頻率越接近共振頻率，原子對光子的吸收概率就越大。因此，在紅失諧《〈《ο的情況下，一個具有一定初速度r的原子與一對頻率、強度相同，傳播方向相反的激光作用時，原子會更多的吸收傳播方向與原子速度方向相反的激光，從而獲得一個與原子初速度方向相反的作用力，達到對原子進行減速的目的。如果原子受到三對對射并且兩兩垂直的囚禁激光時，就能實現(xiàn)對原子的三維減速。三維磁光阱反向亥姆赫茲 線圈的中心與六束囚禁激光光束的交點重合，其效果就是會產(chǎn)生一個中心為O、沿三維方向強度增加的梯度磁場。在有磁場的環(huán)境下，原子的能級會發(fā)生塞曼分裂，原子的能級會隨著磁場強度的變化而發(fā)生變化，因此可以選擇適當(dāng)?shù)能S遷磁子能級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恢復(fù)力，這樣，在磁場和光的共同作用下，就可以冷卻和囚禁高密度的冷原子團。
[0028]發(fā)射過程:
如上所述，一般的磁光阱的三對冷卻激光的強度都一樣，這樣只能把原子冷卻和囚禁在中心區(qū)域，但是該發(fā)明中的特別之處是:第一冷原子束產(chǎn)生部分100的內(nèi)部中心上方安裝一個第I包含1/4波片的反射鏡組117，而上方的囚禁激光光束是由來自下方的囚禁激光光束經(jīng)過第I包含1/4波片的反射鏡組117反射產(chǎn)生，小孔的存在使得上方的囚禁激光光束為空心結(jié)構(gòu)，這樣上述囚禁過程中囚禁的冷原子團將會受到下方囚禁冷卻激光光束的輻射壓力并在其作用下向上經(jīng)由小孔噴射而出，從而形成冷原子束。
[0029]2)冷原子束的偏轉(zhuǎn)過程
冷原子束從小孔噴出之后，在小孔的上方有兩對第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束122，通過調(diào)節(jié)這兩對光的頻率，原子可以獲得一個水平速度從而偏離從小孔一并出射的下方囚禁激光光束的照射區(qū)域(恒定的水平速度不會對梯度測量的結(jié)果產(chǎn)生影響，速度大小可以通過調(diào)節(jié)兩對第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束122的頻率來控制)，該過程一并實現(xiàn)對原子束的橫向冷卻，提高其準(zhǔn)直性。
[0030]3)態(tài)制備過程通過激光或激光-微波組合將原子制備到原子基態(tài)下能級11>或原子基態(tài)上能級I 2>的磁量子數(shù)為O的磁子能級上，然后將處于其它能級以及磁子能級的原子清除。
[0031]4)原子干涉過程
拉曼激光與堿金屬原子作用可以用圖2中所示的三能級原子與光場相互作用模型進行描述。其中11>為原子基態(tài)下能級、I 2>為原子基態(tài)上能級，I 3>是原子虛能級，|4>為原子激發(fā)態(tài)能級，△為能級失諧量。拉曼激光的由一對頻率分別為《P 的兩束對射激光構(gòu)成，當(dāng)拉曼激光與原子相互作用時，通過選擇合適的《P ?2，使ωι、相對于原子能級之間躍遷頻率的失諧量Λ? (其中 表示為原子激發(fā)態(tài)能級的自然線寬)，當(dāng)Λ? 時，可以有效的抑制原子的自發(fā)輻射過程，原子此時只能通過受激吸收或受激輻射來改變內(nèi)態(tài)，從而構(gòu)成雙光子的受激拉曼躍遷。原子在吸收和釋放光子的過程中，原子的動量也會發(fā)生改變。在Λ? 且ΛΑΩρ Ω2 (Ωρ Ω2分別為構(gòu)成拉曼激光對的兩束激光的有效拉比頻率)的大失諧條件下，該三能級原子等效為只有原子的基態(tài)下能級I 1>和原子的基態(tài)上能級I 2>的二能級原子體系，初態(tài)處于原子的基態(tài)下能級I 1>的原子與拉曼激光光束發(fā)生雙光子受激拉曼躍遷之后
處于原子基態(tài)下能級|1>上的概率可以表示為Λ=α+οο8(Ω@.?))/2 處于原子基態(tài)下能級|2>上的概率可以表示為A= (l-cos(Q eff.?))/2 其中t為拉曼激光束與原子作用的時間，Qrff是拉曼激光光束的有效拉比頻率(
與Ω2有關(guān))。
[0032]在傳統(tǒng)的冷原子干涉方案中，拉曼激光都是脈沖工作的，假設(shè)原子最開始全部處于原子基態(tài)下能級 11>，當(dāng)原子與拉曼激光脈沖的作用時間?滿足i= ^/(2 Qeff)時，Λ=1/2，Λ=1/2，滿足這樣的拉曼激光脈沖稱為π /2脈沖；當(dāng)作用時間t滿足t 二 π / {Q eff)時，Λ=ο，Λ=ι，滿足這樣的拉曼激光脈沖稱為冗脈沖。
[0033]本發(fā)明的特點在于:實驗技術(shù)方案中保持三對拉曼激光(第I拉曼激光光束132與第4拉曼激光光束232構(gòu)成第I對拉曼激光；第2拉曼激光光束134與第5拉曼激光光束234構(gòu)成第2對拉曼激光；第3拉曼激光光束136與第6拉曼激光光束236構(gòu)成第3對拉曼激光)連續(xù)常開，因原子與拉曼激光光束作用的時間t由拉曼激光光束的光斑直徑和原子的運動速度共同決定，因此不能像傳統(tǒng)的實驗方案一樣通過掃描時間來觀察作用效果，可以預(yù)先分別單獨利用三對拉曼激光光束與原子束進行掃描光強的拉比震蕩實驗，通過觀察原子在兩能級之間的布局數(shù)反轉(zhuǎn)效果來確定各自的光強大小。假設(shè)第I對拉曼激光、第2對拉曼激光、第3對拉曼激光的初始相位分別為‘ Φ2, 03，并假設(shè)原子最開始全部處于原子基態(tài)下能級|1>上。
[0034]在不考慮地球重力場影響的作用下，原子在與三對拉曼激光光束作用完之后，原子處于原子基態(tài)下能級11>和原子基態(tài)上能級I 2>上的概率可以分別表示:
P1= (I+cos (Φ「2 多 2+ 多 3)) /2
P2- (l—cos (Φ「2 多 2+ 多 3)) /2
其中0 = 6-2^+^為干涉條紋的相位。
[0035]如果考慮地球重力場的影響，假設(shè)第I對拉曼激光、第2對拉曼激光、第3對拉曼激光之間的時間間隔均為r，則干涉條紋末態(tài)相位的改變量可以表示為λ 0=tff wf，其中左eff表示拉曼激光光束對原子作用時的有效波矢。如果在將拉曼激光光束的相位改變s φ,則原子最終處于原子基態(tài)下能級11>和原子基態(tài)上能級I 2>上的概率分別表示為:
/^^(l+cos (0 + δ φ jTkeff.gf)) /2
/^2=(1-008 (0 + δ φ jTkeff.gf)) / 2
5)數(shù)據(jù)處理過程
對于由兩個原子干涉儀組成的重力梯度儀，假設(shè)第一重力敏感型冷原子干涉單元100和第二重力敏感型冷原子干涉單元200得到的干涉條紋(對于同一個內(nèi)態(tài)(原子的基態(tài)下能級11>或原子的基態(tài)上能級I 2>)對應(yīng)的表達式分別為:
Pk= A1 sin (0 !+ δ φ) + B1
P^= C1 sin(02+ δ φ) + D1
其中4，4，C1, D1為未知的常數(shù)，對應(yīng)著干涉條紋的幅度和偏移，Λ 0 = 為兩個干涉儀的相位差。
[0036]利用三角函數(shù)擬合計算得到的重力梯度值的方差是兩個單獨干涉儀的方差之和，無法達到共模抑制條紋相位的噪聲。為了更好的抑制兩個干涉儀的共模噪聲，可以采用橢圓擬合的方法處理數(shù)據(jù)，具體方法如下:
將上面的兩個方程聯(lián)合起來消去δ 0，可以得到 C12 Oda) '+A12 (Pb) 2^1C1PaPbCOS A Φ -1ClPk (B1C1-A1D1COS A Φ)- A-^iCos Δ 0) + A12D1^B,2C12^1B,ClDlCos Δ φ ~Α Ο (1-COS2 Δ 0)=0
對于典型的梯度測量實驗數(shù)據(jù)，上式對應(yīng)的是一個橢圓方程。若以目標(biāo)函數(shù)^r2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0對數(shù)據(jù)進行擬合，則相位差滿足:cos Δ φ --B/2
繼而得到 Δ 0 = arcos {-B/2)
運用最小二乘擬合法得到參數(shù)次B，C，D, E的值，從而得到Λ φ的值。在左eff、7已知并準(zhǔn)確知道兩個干涉單元之間的基線長度的情況下，根據(jù)的值就可以獲取水平重力梯度的值。通過連續(xù)調(diào)制第2對拉曼激光的相位，從而獲得時間上準(zhǔn)連續(xù)的水平重力梯度值。用橢圓擬合的方法可以有效的抑制兩個干涉的相位噪聲，提高測量的精度和靈敏度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 由兩個結(jié)構(gòu)相同的且在水平方向并行排列的第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉單元(200)組成； 或由兩個結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉單元(200)通過真空管道(300)連通組成； 第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)由自下而上依次連接的第I冷原子束產(chǎn)生部分(110)、第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分(120)和第I原子干涉及探測部分(130)組成。
2.按權(quán)利要求1所述的一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 所述的第I冷原子束產(chǎn)生部分(110)包括第I囚禁激光光束發(fā)射器(111)、第2囚禁激光光束發(fā)射器(113)、第I三維磁光講反向亥姆赫茲線圈(115)、第I堿金屬源(116)和第I包含1/4波片的反射鏡組(I 17)； 以第I三維冷原子束(118)制備區(qū)為中心，豎直方向設(shè)置有I個發(fā)射方向指向該中心的第I囚禁激光光束發(fā)射器(111)，水平方向空間對稱地設(shè)置有2對發(fā)射方向指向該中心的第2囚禁激光光束發(fā)射器(113)，另有第I包含1/4波片的反射鏡組(117)置于該中心的正上方，同時以第I囚禁激光光束(112)的傳播方向為軸，空間對稱地設(shè)置有一對第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈(115)。
3.按權(quán)利要求1所述的一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 所述的第I冷原子束偏轉(zhuǎn)部分(120)包括第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器(121)； 以第I 二維冷原子束(123)為中心，水平方向空間對稱地設(shè)置有2對發(fā)射方向指向該中心的第I移動二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器(121)。
4.按權(quán)利要求1所述的一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 所述的第I原子干涉及探測部分(130)包括第I拉曼激光光束發(fā)射器(131)、第2拉曼激光光束發(fā)射器(133)、第3拉曼激光光束發(fā)射器(135)、第I光電探測器(137)和第I偏置磁場線圈(138)； 在傳感器外部，沿與真空管道(300)垂直的方向自下而上依次設(shè)置有第I拉曼激光光束發(fā)射器(131)、第2拉曼激光光束發(fā)射器(133)、第3拉曼激光光束發(fā)射器(135);沿真空管道(300)的方向空間對稱地設(shè)置有一對第I偏置磁場線圈(138)，另有第I光電探測器(137)設(shè)置于原子束運動路徑的末端。
5.所述的權(quán)利要求1所述的一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉單元(200)共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束(132、134、136、232、234、236)。
【文檔編號】G01V7/00GK104007480SQ201410261863
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】朱磊, 仲嘉琪, 陳曦, 熊宗元, 宋宏偉, 王玉平, 李大偉, 王謹, 詹明生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所