基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置

摘要

一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置，该方法的步骤为：S1：冷原子团的制备；通过前级冷却得到冷原子团；S2：速度选择与态制备；通过拉曼速度选择，原子团温度进一步降低；态制备在磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>上；S3：原子干涉；通过两束拉曼光对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。S4：内态探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，通过探测光配合回泵光、吹散光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数，并最终得到跃迁概率以及重力加速度值。该装置用来实施上述方法。本发明具有整体体积小、鲁棒性强、成本低、测量精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到原子干涉仪领域，特指一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置。

背景技术

自迈克尔逊干涉仪发明以来，根据光波的衍射、干涉特性构建的干涉计量仪器因其极高的测量精度和灵敏度而广泛应用于基础科学研究、生产实践、航天航空、地质探矿和国防工业等众多领域。在实践中，人们逐渐认识到采用波长更短的波进行干涉可以提高测量精度，因此于1952年构建了电子干涉仪，1962年构建了中子干涉仪，直到20世纪70年代，人们才开始构思原子干涉仪。原子干涉仪，即以原子物质波代替经典光波作为干涉媒介，用原子光学器件代替经典光学器件来实现分束、反射、合束过程而构成的干涉仪。

相比于其他干涉媒介，原子干涉仪具有以下优势：①由于原子质量远大于光子、中子及电子，相应的物质波波长更短，因此可以获得更高的测量精度和灵敏度。理论分析表明，原子干涉陀螺仪的灵敏度比相同回路面积的He-Ne激光陀螺仪高10¹¹倍，原子加速度仪比现有加速度计的灵敏度高10¹⁷倍。②因为原子具有丰富的内部能级，可以利用电磁场对其进行精密操控，因而原子干涉仪可以提供更广泛的基础研究与应用。③原子显电中性，受杂散电场干扰小，且原子间不存在库伦相互作用，因此可以获得优于电子干涉仪的测量精度。④此外，激光冷却原子技术的发展使得高通量的冷或超冷原子束较易获得，因而原子干涉仪的构造要比中子干涉仪简单和便宜。

原子干涉仪是以原子物质波代替经典光波作为干涉媒介，用原子光学器件代替经典光学器件来实现分束、反射、合束过程而构成的物质波干涉系统，可实现角速度、加速度、时频基准、重力/重力梯度的高灵敏度测量。理论分析表明，原子干涉绝对重力仪可使现有绝对重力仪的灵敏度至少提高3个量级，因此冷原子干涉重力仪器是目前绝对重力仪和重力梯度仪领域中的研究热点，有望为未来高精度地球重力场的探测和重力场模型的建立带来革命性的影响。冷原子干涉重力仪的基本流程为：首先，利用六束光的3维磁光阱技术将大量碱金属(如铷Rb或铯Cs)原子囚禁并冷却至μK量级，使得常温状态下以超音速运动的原子速度降低至1mm/s以下；其次，将冷却后的原子团置于重力场中做自由落体运动，并与相位相干的激光脉冲相互作用，对原子波包进行分束、反射、合束等相干操控，并实现原子干涉；最后，对原子团末态进行探测，利用荧光收集或吸收成像法获得原子干涉条纹，拟合出重力加速度引起的相移，实现绝对重力加速度的精确测量。冷原子干涉重力梯度仪的基本流程与重力仪类似，通过上下两个具有一定距离差的原子干涉重力仪测量结果做差，得到重力梯度测量结果。

目前，原子干涉重力梯度仪的主要方案是通过三个维度的六束光形成磁光阱(Magnetic-optic traps,简记为MOT)，囚禁和冷却原子团，再对原子团进行速度选择和态选择，最后进行拉曼干涉过程。磁光阱的六束激光需要在真空腔上安装六个扩束筒，光路部分需要大量的光学器件，这就不可避免的使得系统体积增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种整体体积小、鲁棒性强、成本低、测量精度高的基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法，其步骤为：

S1：冷原子团的制备；通过磁光阱、偏振梯度冷却进行前级冷却得到温度约为15μk的冷原子团；

S2：速度选择与态制备；通过拉曼速度选择，原子团温度进一步降低；态制备在磁不敏感的状态|F＝1,m_F＝0>上；

S3：原子干涉；通过两束拉曼光对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。

S4：内态探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，通过探测光配合回泵光、吹散光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数，并最终得到跃迁概率以及重力加速度值。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，原子团温度进一步降低至1μk。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，通过磁光阱、偏振梯度冷却进行前级冷却得到冷原子团。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中通过探测光配合回泵光、吹散光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数。

本发明进一步提供一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量装置，包括真空腔、扩束筒、二维交叉光栅以及用于产生分离式金字塔结构的反射镜组件；所述扩束筒用来引入真空系统的单根光纤，所述二维交叉光栅位于扩束筒与反射镜组件之间；所述反射镜组件由上至下依次分为：第一MOT区、第一干涉区、第二MOT区、第二干涉区和探测区；所述第一MOT区内包括四个第一反射镜和与之对应的四个分光器，第二MOT区内也包括四个第一反射镜，探测区的下方设置有第二反光镜。

作为本发明装置的进一步改进：一束冷却光由所述扩束筒引入，经过二维交叉光栅后分为五束光。

作为本发明装置的进一步改进：所述五束光中竖直向下的光功率为其他四束光功率的1/2，五束光偏振特性相同。

作为本发明装置的进一步改进：位于所述第一MOT区的四个第一反射镜将四束光方向调整为竖直向下，经过四个分光器分为两个部分，一部分用于形成上磁光阱，另一部分用于形成下磁光阱，实现原子团的冷却和囚禁。

作为本发明装置的进一步改进：所述第一MOT区中，所述四个第一反射镜位于所述真空腔的腔体四面，且与水平面成一定度角。

作为本发明装置的进一步改进：所述真空腔采用变频干式涡旋泵、涡轮式分子泵和复合泵三级真空泵来实现系统所需的超高真空环境。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提出了一种基于二维交叉光栅分束的组合式类金字塔结构的3D-MOT设计方案。该方案利用二维光栅将由单根光纤导入的一束激光对称地分成5束相干激光，并利用水平面内和底部的五个独立反射镜，形成三对传播方向互相垂直的对射激光。该方案具有体积小、集成度高、调节方便等优点，同时降低了加工和安装的精度要求，并使得三对垂直对射激光特性参数的一致性较容易保证，从而提高原子干涉重力/重力梯度仪的测量灵敏度。

2、本发明提出了一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量的完整方案(包括原子团制备、态制备、原子团分束合束等)，具有很高的参考价值。在同一真空腔中构造两个组合式类金字塔结构产生两个超低温铷原子团，形成上下两套重力测量子系统组成，并利用双原子团同时自由下落进行重力加速度探测，经差分处理后实现重力垂直梯度的测量。由于两套重力测量子系统采用相同的设计方案，三对传播方向互相垂直的对射激光均来自二维交叉光栅衍射产生的5束相干激光，且两团原子处于同一真空腔中，可有效抑制激光相位噪声、外界磁场扰动、环境温度波动及随机振动等共模噪声，大大提高重力垂直梯度的测量精度。

本发明提出了一种基于二维交叉光栅分束的类金字塔型原子干涉重力梯度仪方案。该方案的主要优势在于只需要一根光纤引入真空腔。该方案的优势在于：1.系统整体体积小。由于只需要一束光进入真空腔，激光模块省去了大量的光学器件，真空模块省略了水平方向四束光的扩束筒，从而缩小了真空模块和激光模块的体积。2.鲁棒性强。系统调试中只需要保证引入真空腔的光纤功率稳定即可，易于实现。由于系统结构简单、调节变量少，在长时间工作时，出错概率低。3.低成本。该方案与经典的六束光方案相比，节约了大量光学器件，从而降低了总体成本。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明装置的主视结构原理示意图。

图3是本发明装置的侧视结构原理示意图。

图4是本发明装置的立体结构原理示意图。

图例说明：

1、真空腔；2、扩束筒；3、二维交叉光栅；4、第一MOT区；5、第一干涉区；6、第二MOT区；7、第二干涉区；8、探测区；9、第一反射镜；10、分光器；11、第二反光镜；12、混合泵。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法，其步骤为：

S1：冷原子团的制备。

首先通过磁光阱、偏振梯度冷却(Polarization Gradient Cooling，简记为PGC)进行前级冷却得到温度约为15μk的冷原子团。

S2：速度选择与态制备。

通过拉曼速度选择，原子团温度进一步降低至约1μk。态制备在磁不敏感的状态F＝1,m_F＝0>上。

S3：原子干涉。

通过两束拉曼光对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。

S4：内态探测。

在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，而后通过探测光配合回泵光、吹散光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数，并最终得到跃迁概率以及重力加速度值。

如图2、图3和图4所示，本发明的基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量装置采用二维交叉光栅3分束，形成的类金字塔磁光阱的设计方案。具体来说就是，整个真空系统只需要从上往下的一束光，通过二维交叉光栅3分束为五束特性相同的光，通过水平方向的四个反射镜和最下面的反射镜形成分离式金字塔结构，取代传统六束光方案。

本发明的装置具体包括真空腔1、扩束筒2、二维交叉光栅3以及用于产生分离式金字塔结构的反射镜组件。扩束筒2用来引入真空系统的单根光纤，二维交叉光栅3位于扩束筒2与反射镜组件之间。反射镜组件由上至下依次分为：第一MOT区4、第一干涉区5、第二MOT区6、第二干涉区7和探测区8。第一MOT区4内包括四个第一反射镜9和与之对应的四个分光器10，第二MOT区6内也包括四个第一反射镜9，探测区8的下方设置有第二反光镜11。一束冷却光由扩束筒2引入，经过二维交叉光栅3后分为五束光，其中竖直向下的光功率为其他四束光功率的1/2，五束光偏振特性相同。位于第一MOT区4的四个第一反射镜9将四束光方向调整为竖直向下，经过四个分光器10分为两个部分，一部分用于形成上磁光阱，另一部分用于形成下磁光阱，实现原子团的冷却和囚禁。

在具体应用实例中，在真空腔1的腔体四面各放置一个与水平面成一定度角的第一反射镜9。

本发明的原子干涉重力梯度仪采用冷原子作为检验介质，其热扩散速率小，有利于增加测量时间，但原子在冷却和囚禁过程中很容易与背景杂散气体发生随机碰撞，从而引起冷原子的寿命和相干时间减小，因此冷原子干涉实验需要在超高真空环境下进行。在具体应用实例中，真空腔1采用玻璃真空腔1，该为边长20mm的长方体。作为优选实施例，本发明的真空系统，采用变频干式涡旋泵、涡轮式分子泵和复合泵12(由离子泵与吸气剂组合而成)三级真空泵来实现系统所需的超高真空环境(优于10^-8Pa)。

在具体应用实例中，光纤引入的光包括：冷却光、回泵光、探测光和拉曼光的扩束。两束拉曼光的频率差为6.8GHz。一团经过冷却后的原子团(温度约1μk)，经过态制备后处于磁不敏感的状态|F＝1,m_F＝0>，而后对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，由上下两个原子干涉仪构建一台原子干涉重力梯度仪。最后，通过探测光配合回泵光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数，并最终得到跃迁概率以及重力梯度值。

本发明提出了分离式倒金字塔的方案设计，只需要一根光纤引入真空腔1。本发明的优势在于：

(1)系统整体体积小。与经典的六束光MOT相比，本发明只需要一束光进入真空腔1，激光模块省去了大量的光学器件，真空模块省略了水平方向MOT光的扩束筒2，从而缩小了真空模块和激光模块的体积。

(2)鲁棒性强。系统调试中只需要保证引入真空腔1的光纤功率稳定即可，易于实现。由于系统结构简单、调节变量少，在长时间工作时，出错概率低。

(3)调节灵活。与传统的金字塔方案相比，本发明将金字塔的四个面采用分立元件组合形成，每个面能够灵活、独立的调节，降低了加工和安装的精度要求的同时，提高了测量结果的稳定性。

(4)由于上下两套重力测量子系统采用相同的设计方案，三对传播方向互相垂直的对射激光均来自二维交叉光栅3衍射产生的5束相干激光，且两团原子处于同一真空腔1中，可有效抑制激光相位噪声、外界磁场扰动、环境温度波动及随机振动等共模噪声，大大提高重力垂直梯度的测量精度。

(5)低成本。本发明与经典的六束光方案相比，节约了大量光学器件，从而降低了总体成本。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。