一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測(cè)量傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測(cè)量傳感器，屬于重力勘測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。由兩個(gè)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(gè)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(guò)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(cè)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(wèn)題；大幅提高了原子干涉重力梯度儀的測(cè)量帶寬；通過(guò)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(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于重力勘測(cè)【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(cè)量傳感器。 一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測(cè)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(huì)導(dǎo)致地表重力及重力梯度場(chǎng)的異常。而作 為重力位的更高階微商，重力梯度場(chǎng)具有比重力場(chǎng)更高的空間分辨率和靈敏度。因此，重力 梯度測(cè)量在資源勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)和國(guó)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(guó)Bell Aerospace公司和澳大 利亞BHP Billiton公司所采用的"旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)方案"（J. B. Lee，F(xiàn)ALCON gravity gradiometer technology, BHP Billiton Discovery Technologies, 1 ?4,1992)、 英國(guó)ARKeX公司所采用的"超導(dǎo)方案"（M. V. Moody, H. J. Paik, andE. R. Canavanc, Three-axis superconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments，Rev. Sci. Instrum· 73，3957，2002)、法國(guó)航空航天中心（0NERA)所米用 的"靜電加速度計(jì)方案"（P Touboul，B Foulon，M Rodrigues，J.P Marque，In orbit nano-g measurements, lessons for future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431，2004)，以及本實(shí)用新型所涉及的"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-based gravity gradiometer, Phys. Rev. Lett. 81，971，1998)。
[0004] 與旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)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(shí)現(xiàn)了 1(Γ12·§·的單個(gè)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. Ill, 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(shì)。此外，其他 各方案均以相對(duì)加速度計(jì)(重力儀）為構(gòu)成單元，無(wú)法給出絕對(duì)的重力值，而且不同加速度 之間的系統(tǒng)誤差之差也會(huì)引入重力梯度測(cè)量的結(jié)果，而原子干涉重力梯度儀由兩個(gè)絕對(duì)重 力梯度儀組成，不僅可以進(jìn)行絕對(duì)的重力梯度測(cè)量，也可以一并給出絕對(duì)重力值。
[0005] 早在1991年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kasevich就在其導(dǎo)師朱棣文的帶領(lǐng)下實(shí) 現(xiàn)了國(guó)際上第一個(gè)原子干涉儀并用于重力測(cè)量（M. Kasevich and S. Chu, Atomic interferometry using 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(gè)原子干涉 重力儀垂向?qū)盈B并進(jìn)行共模差分測(cè)量實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)用于測(cè)量堅(jiān)直重力梯度的原子干涉 堅(jiān)直重力梯度儀（M. J. Snadden, J. M. McGuirk, P. Bouyer, et al, Measurement of the EarthJ s gravity gradient with an 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(tái)用于測(cè)量水平重力梯度的車(chē)載水平重力梯度儀，在經(jīng)過(guò)180秒 的積分時(shí)間以后，其測(cè)量精度可以達(dá)到7萬(wàn)（X. A. Wu, Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, Stanford University,2009)) {IE ^ ΚΓ1?)。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(guò)了 8000秒的積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了精度為0· 5萬(wàn)的垂向重力梯度測(cè)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)。
[0006] 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?xiàng)l件的限制，大幅提 高勘測(cè)的效率，星載重力梯度儀甚至可以對(duì)全球的重力梯度進(jìn)行測(cè)量，因此高分辨率航空、 航天測(cè)量是重力梯度儀的重要發(fā)展方向，這就對(duì)其測(cè)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(guó)際上所有的原子干涉重力及重力梯度測(cè)量方案 全部基于脈沖發(fā)射的冷原子團(tuán)，每發(fā)射一團(tuán)原子只能獲得一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采樣完成后才能進(jìn) 行下一次發(fā)射，其中單次數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括冷原子團(tuán)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(cè)幾個(gè)步驟，其中單個(gè)冷原子團(tuán)的制備通常要耗時(shí)〇. 3?1秒，使得單 點(diǎn)采樣速率僅能達(dá)到〇. 5?2. 5 Hz，而要獲得一個(gè)重力梯度的測(cè)量值往往需要多個(gè)不同相 位的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理，這就使得實(shí)際的重力梯度測(cè)量帶寬普遍處于1 Hz以下，要獲得 高精度的測(cè)量值更是需要成千上萬(wàn)秒的積分平均。目前，美國(guó)Bell Aerospace與加拿大 McPHAR公司生產(chǎn)的基于GT-1A加速度計(jì)的航空重力梯度儀的測(cè)量帶寬可以達(dá)到100 Hz，搭 乘Piper Navajo型飛機(jī)（140海里/小時(shí)）可實(shí)現(xiàn)的勘測(cè)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(cè)量的需求，其測(cè)量帶寬是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
[0007] 利用原子束代替原子團(tuán)可以顯著提高原子干涉儀的采樣速率。美國(guó)的Kasevich 小組曾經(jīng)使用連續(xù)的熱原子束干涉儀進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量，得到了時(shí)間連續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，但由 于熱原子束中的原子飛行速度過(guò)快(在千米/秒量級(jí))，要獲得高精度數(shù)據(jù)所需的拉曼激光 相干操作時(shí)間，就必須要建造很大尺寸的測(cè)量裝置，無(wú)法滿足工程化的需求。美國(guó)國(guó)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 109 / s，平均速度14 ?Λ，分布2. 7 ?Λ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(wú)法對(duì)其內(nèi)態(tài)進(jìn)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(kāi)冷卻光的照射。但是在重力梯度測(cè)量過(guò)程中， 需要對(duì)原子進(jìn)行堅(jiān)直發(fā)射，而利用重力改變?cè)语w行軌跡的方法則需要很大尺寸的實(shí)驗(yàn)裝 置，因此并不適用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，尤其是克服冷原子干 涉重力梯度儀測(cè)量帶寬過(guò)低的問(wèn)題，提供一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測(cè)量傳 感器。
[0009] 所需解決的問(wèn)題是：
[0010] 1、如【背景技術(shù)】中所介紹，目前國(guó)際上所有的原子干涉重力梯度測(cè)量方案全部采 用基于脈沖發(fā)射的冷原子團(tuán)，每發(fā)射一團(tuán)原子只能獲得一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而獲得一個(gè)梯度值往 往需要多個(gè)不同相位的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理，這就使得重力梯度測(cè)量帶寬普遍處于1HZ以 下，無(wú)法滿足高分辨率航空、航天測(cè)量的需求。
[0011] 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(tuán)的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間處于推射冷卻光的 照射之下，無(wú)法對(duì)其內(nèi)態(tài)進(jìn)行相干操作，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)原子干涉。如果利用重力讓原子自由 下落從而避開(kāi)冷卻光的照射，則需要大尺寸的實(shí)驗(yàn)裝置，無(wú)疑會(huì)大大增加實(shí)驗(yàn)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(dòng)測(cè)量。
[0012] 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0013] 第一，在現(xiàn)有冷原子束技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)二維橫向移動(dòng)光學(xué)黏膠來(lái)解決推載冷卻 光與原子軌跡重疊的問(wèn)題；
[0014] 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(shí)間分立的脈沖拉曼激光方 案，對(duì)冷原子束進(jìn)行不間斷的相干操作和連續(xù)采樣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水平重力梯度的準(zhǔn)連續(xù)測(cè) 量，滿足高空間分辨率、高精度航空、航天測(cè)量的國(guó)家需求。
[0015] 具體地說(shuō)，本傳感器由兩個(gè)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；
[0016] 或由兩個(gè)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(guò)真空管道連通組成；
[0017] 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(cè)部分組成。
[0018] 本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0019] 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(wèn)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；
[0020] ②大幅提高了原子干涉重力梯度儀的測(cè)量帶寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平重力梯度的準(zhǔn)連續(xù)測(cè) 量，滿足高分辨率航空、航天測(cè)量的需求；
[0021] ③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(guò)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為雙光子躍遷的能級(jí)示意圖；
[0024] 圖3為原子干涉不意圖。
[0025] 圖中：
[0026] 100-第1重力敏感型冷原子干涉單元；
[0027] 110-第1冷原子束產(chǎn)生部分；
[0028] 111-第1囚禁激光光束發(fā)射器；112-第1囚禁激光光束；
[0029] 113-第2囚禁激光光束發(fā)射器；114一第2囚禁激光光束；
[0030] 115-第1三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
[0031] 116-第1堿金屬源；
[0032] 117-第1包含1/4波片的反射鏡組；
[0033] 118-第1三維冷原子束；
[0034] 120-第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分；
[0035] 121一第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器；
[0036] 122-第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束；
[0037] 123-第1二維冷原子束；
[0038] 130-第1原子干涉及探測(cè)部分；
[0039] 131-第1拉曼激光光束發(fā)射器；132-第1拉曼激光光束；
[0040] 133-第2拉曼激光光束發(fā)射器；134-第2拉曼激光光束；
[0041] 135-第3拉曼激光光束發(fā)射器；136-第3拉曼激光光束；
[0042] 137-第1光電探測(cè)器； 138-第1偏置磁場(chǎng)線圈；
[0043] 200-第2重力敏感型冷原子干涉單元；
[0044] 210-第2冷原子束產(chǎn)生部分；
[0045] 211-第3囚禁激光光束發(fā)射器；212-第3囚禁激光光束；
[0046] 213-第4囚禁激光光束發(fā)射器；214-第4囚禁激光光束；
[0047] 215-第2三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
[0048] 216-第2堿金屬源；
[0049] 217-第2包含1/4波片的反射鏡組；
[0050] 218-第2三維冷原子束；
[0051] 220-第2冷原子束偏轉(zhuǎn)部分；
[0052] 221-第2移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器；
[0053] 222-第2移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束；
[0054] 222-第2二維冷原子束；
[0055] 230-第2原子干涉及探測(cè)部分；
[0056] 231-第4拉曼激光光束發(fā)射器；232-第4拉曼激光光束；
[0057] 233-第5拉曼激光光束發(fā)射器；234-第5拉曼激光光束；
[0058] 235-第6拉曼激光光束發(fā)射器；236-第6拉曼激光光束；
[0059] 237一第2光電探測(cè)器； 238-第2偏置磁場(chǎng)線圈；
[0060] 300-真空管道；
[0061] | 1>一原子基態(tài)下能級(jí)；
[0062] | 2>-原子基態(tài)上能級(jí)；
[0063] | 3>-虛能級(jí)；
[0064] | 4>一原子激發(fā)態(tài)能級(jí)；
[0065] Λ -能級(jí)失諧量。

【具體實(shí)施方式】 [0066] ：
[0067] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明：
[0068] 一、總體
[0069] 如圖1，本傳感器由兩個(gè)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100和第2重力敏感型冷原子干涉單元200組成；
[0070] 或由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第1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(guò)真空管道300連通組成；
[0071] 第1重力敏感型冷原子干涉單元100由自下而上依次連接的第1冷原子束產(chǎn)生部 分110、第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120和第1原子干涉及探測(cè)部分130組成。
[0072] 二、功能部件
[0073] 1、第1冷原子束產(chǎn)生部分110
[0074] 第1原子干涉及探測(cè)部分110包括第1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1三維磁光講反向亥姆赫茲線圈115、第1堿金屬源116和第1包含1/4 波片的反射鏡組117 ;
[0075] 以第1三維冷原子束118制備區(qū)為中心，堅(jiān)直方向設(shè)置有1個(gè)發(fā)射方向指向該中 心的第1囚禁激光光束發(fā)射器111，水平方向空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有2對(duì)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1包含1/4波片的反射鏡組117置于該中心的正上 方，同時(shí)以第1囚禁激光光束112的傳播方向?yàn)檩S，空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有一對(duì)第1三維磁光阱 反向亥姆赫茲線圈115。
[0076] 2、第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120
[0077] 第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120包括第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器121 ;
[0078] 以第1二維冷原子束123為中心，水平方向空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有2對(duì)發(fā)射方向指向 該中心的第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器121。
[0079] 3、第1原子干涉及探測(cè)部分130
[0080] 第1原子干涉及探測(cè)部分130包括第1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1光電探測(cè)器137和第1偏置磁場(chǎng)線圈 138 ；
[0081] 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1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(duì)稱(chēng)地設(shè)置有一對(duì)第1偏置磁場(chǎng)線圈138,另有第1光電探測(cè)器137設(shè)置于 原子束運(yùn)動(dòng)路徑的末端。
[0082] *第1、2囚禁激光光束發(fā)射器111、113,第1移動(dòng)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)。
[0083] *第1三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。
[0084] *第1偏置磁場(chǎng)線圈138是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制而成。
[0085] *第1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。
[0086] *第1包含1/4波片的反射鏡組117由一個(gè)中心帶小孔的1/4波片和一個(gè)中心也 帶小孔的反射鏡平行擱置組成。
[0087] *第1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。
[0088] 由以上說(shuō)明可看出，本傳感器具有下列特點(diǎn)：
[0089] 第1重力敏感型冷原子干涉單元100由自下而上依次連接的第1冷原子束產(chǎn)生部 分110、第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分120和第1原子干涉及探測(cè)部分130組成；其中第1冷原子 束偏轉(zhuǎn)部分120由兩對(duì)第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束122組成；第1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1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。
[0090] 三、工作原理
[0091] 本實(shí)用新型的工作原理可以分解為以下幾個(gè)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程。
[0092] 1)冷原子束的囚禁、發(fā)射過(guò)程
[0093] 如圖一所示，由堅(jiān)直一對(duì)第1囚禁激光光束112、水平兩對(duì)第2囚禁激光光束114 和第1三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115組成一個(gè)三維磁光阱，可以完成對(duì)堿金屬原子的 囚禁，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射。其具體工作原理如下
[0094] 囚禁過(guò)程：
[0095] 假設(shè)頻率為《的激光(激光的波矢為左)與一團(tuán)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(jí)之間的共振躍遷頻率即 ?〈《0)，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 光頻率可以表示為（ω-左·!〇,當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與激光的傳播反向相反時(shí)，原子感受到的 激光頻率就表示為（ω +々· r)。一般情況下，原子感受到的頻率越接近共振頻率，原子對(duì)光 子的吸收概率就越大。因此，在紅失諧《〈《 〇的情況下，一個(gè)具有一定初速度r的原子與一 對(duì)頻率、強(qiáng)度相同，傳播方向相反的激光作用時(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，達(dá)到對(duì)原子進(jìn)行減速的目 的。如果原子受到三對(duì)對(duì)射并且兩兩垂直的囚禁激光時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)重合，其效果就是會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 中心為0、沿三維方向強(qiáng)度增加的梯度磁場(chǎng)。在有磁場(chǎng)的環(huán)境下，原子的能級(jí)會(huì)發(fā)生塞曼 分裂，原子的能級(jí)會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)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(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恢復(fù)力， 這樣，在磁場(chǎng)和光的共同作用下，就可以冷卻和囚禁高密度的冷原子團(tuán)。
[0096] 發(fā)射過(guò)程：
[0097] 如上所述，一般的磁光阱的三對(duì)冷卻激光的強(qiáng)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(gè)第1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(lái)自下方的囚禁 激光光束經(jīng)過(guò)第1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(guò)程中囚禁的冷原子團(tuán)將會(huì)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。
[0098] 2)冷原子束的偏轉(zhuǎn)過(guò)程
[0099] 冷原子束從小孔噴出之后，在小孔的上方有兩對(duì)第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束 122,通過(guò)調(diào)節(jié)這兩對(duì)光的頻率，原子可以獲得一個(gè)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(huì)對(duì)梯度測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生影響，速度大小 可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩對(duì)第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束122的頻率來(lái)控制)，該過(guò)程一并實(shí)現(xiàn)對(duì) 原子束的橫向冷卻，提高其準(zhǔn)直性。
[0100] 3)態(tài)制備過(guò)程
[0101] 通過(guò)激光或激光-微波組合將原子制備到原子基態(tài)下能級(jí)11>或原子基態(tài)上能級(jí) 2>的磁量子數(shù)為0的磁子能級(jí)上，然后將處于其它能級(jí)以及磁子能級(jí)的原子清除。
[0102] 4)原子干涉過(guò)程
[0103] 拉曼激光與堿金屬原子作用可以用圖2中所示的三能級(jí)原子與光場(chǎng)相互作用模 型進(jìn)行描述。其中|1>為原子基態(tài)下能級(jí)、|2>為原子基態(tài)上能級(jí)，|3>是原子虛能級(jí)，|4> 為原子激發(fā)態(tài)能級(jí)，△為能級(jí)失諧量。拉曼激光的由一對(duì)頻率分別為《 i、的兩束對(duì)射激 光構(gòu)成，當(dāng)拉曼激光與原子相互作用時(shí)，通過(guò)選擇合適的?2，使ωι、相對(duì)于原子能 級(jí)之間躍遷頻率的失諧量Λ >>Γ (其中Γ表示為原子激發(fā)態(tài)能級(jí)的自然線寬)，當(dāng)Λ >>Γ 時(shí)，可以有效的抑制原子的自發(fā)輻射過(guò)程，原子此時(shí)只能通過(guò)受激吸收或受激輻射來(lái)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(guò)程中，原子的動(dòng)量也會(huì) 發(fā)生改變。在Λ?Γ且ΛΑΩρ Ω2 (Ωρ Ω2分別為構(gòu)成拉曼激光對(duì)的兩束激光的有效 拉比頻率)的大失諧條件下，該三能級(jí)原子等效為只有原子的基態(tài)下能級(jí)| 1>和原子的基態(tài) 上能級(jí)|2>的二能級(jí)原子體系，初態(tài)處于原子的基態(tài)下能級(jí)|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
[0104] 處于原子基態(tài)下能級(jí)|1>上的概率可以表示為/^=(l+C0S(Q rff· ?))/2
[0105] 處于原子基態(tài)下能級(jí)|2>上的概率可以表示為產(chǎn)2= (l-C〇s(Q eff · ?))/2
[0106] 其中?為拉曼激光束與原子作用的時(shí)間，Ωε--是拉曼激光光束的有效拉比頻率 (Ω ε-- 與 Ωρ Ω2 有關(guān))。
[0107] 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(kāi)始全部處 于原子基態(tài)下能級(jí)|1>，當(dāng)原子與拉曼激光脈沖的作用時(shí)間?滿足? = νΛ2Ωε--)時(shí)， Λ=1/2，Λ=1/2,滿足這樣的拉曼激光脈沖稱(chēng)為v/2脈沖；當(dāng)作用時(shí)間?滿足? = νΛΩε--) 時(shí)，Λ=〇，Λ=1，滿足這樣的拉曼激光脈沖稱(chēng)為ν脈沖。
[0108] 本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于：實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案中保持三對(duì)拉曼激光(第1拉曼激光光束 132與第4拉曼激光光束232構(gòu)成第1對(duì)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(duì)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(duì)拉曼激光)連續(xù)常開(kāi)，因原子與拉曼激光光束作用的時(shí)間?由拉曼激光光束的光斑直徑 和原子的運(yùn)動(dòng)速度共同決定，因此不能像傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案一樣通過(guò)掃描時(shí)間來(lái)觀察作用效 果，可以預(yù)先分別單獨(dú)利用三對(duì)拉曼激光光束與原子束進(jìn)行掃描光強(qiáng)的拉比震蕩實(shí)驗(yàn)，通 過(guò)觀察原子在兩能級(jí)之間的布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)效果來(lái)確定各自的光強(qiáng)大小。假設(shè)第1對(duì)拉曼激 光、第2對(duì)拉曼激光、第3對(duì)拉曼激光的初始相位分別為必^必^必^并假設(shè)原子最開(kāi) 始全部處于原子基態(tài)下能級(jí)11>上。
[0109] 在不考慮地球重力場(chǎng)影響的作用下，原子在與三對(duì)拉曼激光光束作用完之后，原 子處于原子基態(tài)下能級(jí)I 1>和原子基態(tài)上能級(jí)I 2>上的概率可以分別表示：
[0110] Px= (1+cos (0 2 0 2~*~ 3)) /2
[0111] /^2= (1-cos (Φ 2 0 2~*~ 3)) /2
[0112] 其中0 = 為干涉條紋的相位。
[0113] 如果考慮地球重力場(chǎng)的影響，假設(shè)第1對(duì)拉曼激光、第2對(duì)拉曼激光、第3對(duì)拉曼 激光之間的時(shí)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=^ffv7"，其中 <ff表示拉曼激光光束對(duì)原子作用時(shí)的有效波矢。如果在將拉曼激光光束的相位改變s必， 則原子最終處于原子基態(tài)下能級(jí)|ι>和原子基態(tài)上能級(jí)|2>上的概率分別表示為：
[0114] ^^(l+cos (0+50 +keff * gf)) /2
[0115] /^2=(1-008(0+5 φ+k^ · gf)) /2
[0116] 5)數(shù)據(jù)處理過(guò)程
[0117] 對(duì)于由兩個(gè)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(duì)于同一個(gè)內(nèi)態(tài)(原子的基態(tài) 下能級(jí)11>或原子的基態(tài)上能級(jí)I 2>)對(duì)應(yīng)的表達(dá)式分別為：
[0118] Pk= A1 sin(φ ^ δ φ)+ Βχ
[0119] /*Β= q sin (0 2+δ 0) + ^
[0120] 其中Α為未知的常數(shù)，對(duì)應(yīng)著干涉條紋的幅度和偏移，Δ 0 = 為 兩個(gè)干涉儀的相位差。
[0121] 利用三角函數(shù)擬合計(jì)算得到的重力梯度值的方差是兩個(gè)單獨(dú)干涉儀的方差之和， 無(wú)法達(dá)到共模抑制條紋相位的噪聲。為了更好的抑制兩個(gè)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：
[0122] 將上面的兩個(gè)方程聯(lián)合起來(lái)消去δ 0，可以得到
[0123] C,2 〇°A) 2+A,2 φΒ) ^^P^cos Δ φ -2CxPk Δ 0)-
[0124] 2A1PB {ΑγΟγ-Βγ?γΟΟ? Δ 0) + AiDi+BiCi~2AlBlClDlcos Δ φ
[0125] -cos2 Δ 0)=〇
[0126] 對(duì)于典型的梯度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上式對(duì)應(yīng)的是一個(gè)橢圓方程。若以目標(biāo)函數(shù)々τ2 +^7+^/+/^+^7+/^=0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，則相位差滿足：
[0127] cos Δ 0 ^-B/2
[0128] 繼而得到 Δ 0 = arcos
[0129] 運(yùn)用最小二乘擬合法得到參數(shù)次戌^'的值，從而得到Λ 0的值。在九ff、7已 知并準(zhǔn)確知道兩個(gè)干涉單元之間的基線長(zhǎng)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(guò)連續(xù)調(diào)制第2對(duì)拉曼激光的相位，從而獲得時(shí)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(gè)干涉的相位噪聲，提高測(cè)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(cè)量傳感器，其特征在于： 由兩個(gè)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（1〇〇)和 第2重力敏感型冷原子干涉單元（200)組成； 或由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第1重力敏感型冷原子干涉單元（1〇〇)和第2重力敏感型冷原子 干涉單元（200)通過(guò)真空管道（300)連通組成； 第1重力敏感型冷原子干涉單元（100)由自下而上依次連接的第1冷原子束產(chǎn)生部分 (110)、第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分（120)和第1原子干涉及探測(cè)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(cè)量傳感器，其特征 在于： 所述的第1冷原子束產(chǎn)生部分（110)包括第1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1三維磁光講反向亥姆赫茲線圈（115)、第1堿金屬源（116)和第1 包含1/4波片的反射鏡組（117); 以第1三維冷原子束（118)制備區(qū)為中心，堅(jiān)直方向設(shè)置有1個(gè)發(fā)射方向指向該中心 的第1囚禁激光光束發(fā)射器（111)，水平方向空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有2對(duì)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1包含1/4波片的反射鏡組（117)置于該中心的正 上方，同時(shí)以第1囚禁激光光束（112)的傳播方向?yàn)檩S，空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有一對(duì)第1三維磁 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(cè)量傳感器，其特征 在于： 所述的第1冷原子束偏轉(zhuǎn)部分（120)包括第1移動(dòng)二維光學(xué)黏膠激光光束發(fā)射器 (121)； 以第1二維冷原子束（123)為中心，水平方向空間對(duì)稱(chēng)地設(shè)置有2對(duì)發(fā)射方向指向該 中心的第1移動(dòng)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(cè)量傳感器，其特征 在于： 所述的第1原子干涉及探測(cè)部分（130)包括第1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1光電探測(cè)器（137)和第1偏 置磁場(chǎng)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1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(duì)稱(chēng)地設(shè)置有一對(duì)第1偏置磁場(chǎng)線圈（138)，另有第1光電探測(cè)器 (137)設(shè)置于原子束運(yùn)動(dòng)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(cè)量傳感器，其 特征在于： 第1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(hào)】G01V7/00GK203881958SQ201420309190
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)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(jǐn), 詹明生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所