本實(shí)用新型屬于原子干涉儀和重力勘測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于雙物質(zhì)波源的原子干涉重力測量裝置。

背景技術(shù)：

精密重力測量在地球物理應(yīng)用中有著廣泛應(yīng)用。在資源勘探中，重力加速度及重力梯度數(shù)據(jù)可以用于重力場反演來得到地下的質(zhì)量分布，從而為資源勘探提供重要線索。

重力加速度是重力勢能對空間位置的一階微商；而重力梯度是重力勢能對空間位置的二階微商，它是一個二階張量，有9個分量(其中只有5個獨(dú)立分量)。重力梯度測量需要測量空間中兩點(diǎn)的重力加速度差。重力加速度和重力梯度可以通過不同的方法來實(shí)現(xiàn)。比如低溫超導(dǎo)重力(梯度)儀、旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀、靜電懸浮重力(梯度)儀、以及FG-5絕對重力(梯度)儀、原子干涉重力(梯度)儀等。原子干涉重力(梯度)儀具有潛在靈敏度高、無零點(diǎn)漂移等優(yōu)點(diǎn)。

冷原子干涉技術(shù)最初在1991年由美國斯坦福的朱隸文教授小組實(shí)現(xiàn)。由于微觀粒子具有波動性，因此微觀粒子的波包在不同路徑演化之后重合可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。利用激光操縱原子，使原子的波包發(fā)生分束、反射、合束，可以實(shí)現(xiàn)原子的干涉。原子具有靜止質(zhì)量，其波包在重力場中演化受重力勢能影響，原子干涉的干涉相位包含重力項(xiàng)。因此，原子干涉儀可以用來進(jìn)行高精度重力測量。

在豎直方向同時構(gòu)造兩個干涉儀可以測量重力梯度張量豎直方向的對角分量。所構(gòu)造的儀器就是原子干涉重力梯度儀。其優(yōu)勢在于，它由同一束激光操縱兩團(tuán)原子干涉，地面震動噪聲和激光相位噪聲這兩項(xiàng)主要噪聲對兩個干涉過程是共模噪聲。因此梯度測量對這兩項(xiàng)噪聲是共模抑制的。

目前，測量豎直方向?qū)欠至康脑痈缮嬷亓μ荻葍x方案有以下兩種。第一種是利用單個磁光阱(圖2)冷卻囚禁原子(單物質(zhì)波源)，先后上拋兩團(tuán)原子(New Journal of Physics 12，095009，2010)或者上拋一團(tuán)原子，然后利用激光將一團(tuán)原子分成兩團(tuán)(arXiv:1610.03832v2)。這種方案主要受限于單個磁光阱冷卻囚禁原子的速度，平均單位時間內(nèi)參與干涉的原子數(shù)目較少，導(dǎo)致量子投影噪聲較大，限制了梯度測量的靈敏度。第二種方法是采用兩個磁光阱來囚禁原子(雙物質(zhì)波源)，有兩個干涉區(qū)，干涉區(qū)和磁光阱交替排列。(Phys.Rev.A，65，033608，2002)。這種方案導(dǎo)致裝置重心高，裝置穩(wěn)定性較差；兩個干涉儀之間有一個三維磁光阱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致儀器自吸引效應(yīng)顯著；兩干涉儀之間的三維磁光阱結(jié)構(gòu)占據(jù)了很大空間，不利于使用附加引力質(zhì)量標(biāo)定梯度測量結(jié)果；需要兩套探測裝置和需要分別進(jìn)行磁場屏蔽。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以上列舉的兩種重力梯度儀構(gòu)造方案，第一種量子投影噪聲大，第二種儀器重心高、自吸引效應(yīng)大，且不利于附加吸引質(zhì)量標(biāo)定，需要兩套探測裝置，需要對兩個干涉區(qū)進(jìn)行磁場屏蔽。針對這些不足，本實(shí)用新型提供了一種基于雙物質(zhì)波源的新的雙原子干涉儀重力測量實(shí)現(xiàn)方案。

本實(shí)用新型提供了一種基于雙物質(zhì)波源的原子干涉重力測量裝置，包括：真空腔體，用于為原子蒸汽提供一個密封容器，并為冷原子的制備和操縱提供真空度為(10^-8～10^-7)Pa的真空環(huán)境。

更進(jìn)一步地，所述真空腔體包括：干涉區(qū)，探測區(qū)，第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)和第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)；所述干涉區(qū)為一根細(xì)長型管道，用于為原子干涉過程提供空間，并在所述干涉區(qū)上端設(shè)置有用于引入原子操縱激光的玻璃窗口；所述探測區(qū)用于為原子的探測過程提供空間，為多窗口的腔體，窗口為探測激光和所要收集的熒光提供通道；所述第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)和第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)用于為冷卻囚禁原子提供空間，均為多面體結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有多個窗口，窗口用于為冷卻激光提供通道，并為監(jiān)測制備時的原子團(tuán)提供通道；在所述第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)的下方還設(shè)置有一個用于為原子操縱激光提供通道的窗口。

本裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、只需要一套探測系統(tǒng)、磁場效應(yīng)抑制好、量子投影噪聲小、儀器重心低自吸引效應(yīng)小、標(biāo)定方便等優(yōu)點(diǎn)。

更進(jìn)一步地，所述探測區(qū)與所述第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)之間、所述第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)與所述第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)之間均通過鈦合金管道連接。

更進(jìn)一步地，所述原子操縱激光為Raman光束或Bragg光束，用于照射原子，使原子發(fā)生受激Raman躍遷或者Bragg衍射，實(shí)現(xiàn)原子波包的分束、反射與合束。

更進(jìn)一步地，所述原子干涉重力測量裝置還包括：偏置磁場線圈，磁場屏蔽層，光電探測器，主腔體支撐板，第一堿金屬樣品容器，真空泵，第二堿金屬樣品容器，激光反射鏡和反亥母霍茲線圈；所述偏置磁場線圈為纏繞在所述干涉區(qū)臂上的導(dǎo)電線圈，用于產(chǎn)生沿豎直方向的磁場使原子的磁子能級去簡并；所述磁場屏蔽層用于衰減干涉區(qū)中的背景環(huán)境磁場；光電探測器用于收集原子發(fā)射的熒光，并轉(zhuǎn)化為電信號；所述主腔體支撐板用于支撐主腔體；所述真空泵用于維持主腔體中的真空度；所述第一堿金屬樣品容器與所述第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)連通，內(nèi)部盛有堿金屬原子樣品，用以彌散出原子氣體，用于提供工作物質(zhì)；所述第二堿金屬樣品容器與第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)連通，內(nèi)部盛有堿金屬原子樣品，用以彌散出原子氣體，用于提供工作物質(zhì)；所述激光反射鏡垂直于原子操縱激光放置，用于將原子操縱激光原路反射形成對射的激光，對原子進(jìn)行操作；所述反亥母霍茲線圈為兩個通入反向電流的線圈，安裝在第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)上并使其軸線平行于冷卻激光中的一束，用以在其中心處產(chǎn)生磁場強(qiáng)度零點(diǎn)和磁場梯度，從而與冷卻激光配合，在中心處囚禁原子。

更進(jìn)一步地，磁場屏蔽層由高磁導(dǎo)率材料多層纏繞構(gòu)成。其中，高磁導(dǎo)率材料可以為坡莫合金薄膜，相對磁導(dǎo)率高達(dá)10⁵水平。

更進(jìn)一步地，光電探測器為光電管或者光電倍增管。

更進(jìn)一步地，真空泵包括離子泵和吸氣劑泵，與第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)和第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)之間的管道連通。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

(1)采用兩個磁光阱結(jié)構(gòu)囚禁原子(物質(zhì)波源)，囚禁原子的速度增加為原來的2倍，因此單位時間內(nèi)參與干涉的原子數(shù)目多，量子投影噪聲小，因此梯度測量的靈敏度可以做到更高。

(2)兩個冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)距離較近，且位于干涉區(qū)同一端，裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊，在地表工作環(huán)境中重心低，利用平板可以方便地實(shí)現(xiàn)支撐，裝置具有較好的穩(wěn)定性。

(3)兩個原子團(tuán)構(gòu)成的干涉儀，干涉結(jié)果在探測區(qū)中共用同一個探測激光和光電探測器，避免了搭建兩個探測裝置，減小了裝置復(fù)雜度，并且能夠抑制共模探測誤差。

(4)干涉在同一個細(xì)長形干涉區(qū)中完成，干涉區(qū)沒有被冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)分隔開，對單個干涉區(qū)域進(jìn)行磁屏蔽比較簡單；而且筒形磁屏蔽越靠中間效果越好，因此相同總長度的干涉區(qū)，單個長干涉區(qū)比兩個分開的短干涉區(qū)對背景磁場屏蔽更好。

(5)干涉區(qū)是一個整體，中間沒有冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)，裝置自身質(zhì)量對原子干涉儀的引力效應(yīng)(自吸引效應(yīng))更小，且干涉時的冷原子團(tuán)之間有充足的空間。這使在兩原子團(tuán)中間附加已知質(zhì)量分布的吸引質(zhì)量來標(biāo)定重力梯度測量結(jié)果(如分辨率)更加方便。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于雙物質(zhì)波源的原子干涉重力測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三維磁光阱的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，101為干涉區(qū)，102探測區(qū)，103為第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)，104為第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)，201為偏置磁場線圈，202為磁場屏蔽層，203為光電探測器，204為支撐板，205為第一堿金屬樣品容器，206為真空泵，207為第二堿金屬樣品容器，208為激光反射鏡，209為反亥母霍茲線圈，a1為第一原子團(tuán)，a2為第二原子團(tuán)，L01為原子操縱激光，L02為探測激光，L03為第一向下冷卻激光，L04為第一向上冷卻激光，L05為第二向下冷卻激光，L06為第二向上冷卻激光。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型涉及一種利用原子物質(zhì)波干涉測量地球重力加速度值和重力梯度值的技術(shù)；本實(shí)用新型將兩個三維磁光阱結(jié)構(gòu)(圖2)置于干涉區(qū)腔體101的同一端，同時制備兩團(tuán)冷原子a1，a2。兩個干涉過程在干涉腔101中同時完成。在同一個探測區(qū)域102用相同探測光L02和光電探測器203對兩團(tuán)原子a1，a2構(gòu)成的干涉儀的干涉結(jié)果進(jìn)行探測。在地表環(huán)境中，利用平板204實(shí)現(xiàn)主真空腔體101-104的支撐。

圖1示出了本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于雙物質(zhì)波源的原子干涉重力測量裝置的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本實(shí)用新型實(shí)施例相關(guān)的部分，詳述如下：

本實(shí)用新型提供的基于雙物質(zhì)波源的原子干涉重力測量裝置由超高真空度腔體101-104和其他附屬結(jié)構(gòu)201-209組成；激光束L01-L06和冷原子團(tuán)a1，a2為工作物質(zhì)。

超高真空度腔體101-104部分為本裝置的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要作用是為原子蒸汽提供一個密封容器和為冷原子的制備和操縱提供一個超高真空度環(huán)境，所要求的真空度一般為10^-8-10^-7Pa水平。真空腔體所選材料一般有鈦合金或者微晶玻璃。現(xiàn)以鈦合金為例進(jìn)行簡要說明：腔體與腔體之間同樣使用鈦合金管道進(jìn)行連接；激光束通過的地方使用玻璃窗口；各分離部件之間的連接使用無氧銅墊片進(jìn)行密封。

真空腔體包括：干涉區(qū)101，探測區(qū)102，第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103，第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104。其中，干涉區(qū)101一般可以為一根細(xì)長型管道，主要作用是為原子干涉過程提供空間。其上端安裝有玻璃窗口以引入原子操縱激光L01；管外纏繞偏置磁場線圈201，用以產(chǎn)生磁場使原子的磁子能級去簡并；偏置磁場線圈201外可以纏繞磁場屏蔽層202，用以屏蔽外部環(huán)境磁場。探測區(qū)102一般為多窗口的腔體，其為原子的探測過程提供空間，所安裝的窗口為探測激光L02和光電探測器203所要收集的熒光提供通道。冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103、104，一般為多面體結(jié)構(gòu)，有很多窗口。其能為冷卻囚禁原子提供空間，窗口能為冷卻激光L03、L04、L05、L06提供通道，同時也為監(jiān)測制備時的原子團(tuán)a1、a2提供通道。探測區(qū)102與第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103之間、第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103與第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104之間通過鈦合金管道連接。第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104下方還有一個窗口為原子操縱激光L01提供通道。

激光束L01-L06用來制備和操縱原子團(tuán)a1，a2。其中原子操縱激光L01一般為Raman光束或者Bragg光束，其作用是照射原子，使原子發(fā)生受激Raman躍遷或者Bragg衍射，實(shí)現(xiàn)原子波包的分束、反射與合束，即操縱原子進(jìn)行干涉。一般原子操縱激光L01中還可以耦合進(jìn)清除光，用來清除特定能態(tài)的原子。清除光的原理是使原子獲得光子動量加速，從而被“吹走”。探測光L02的作用是照射原子，使原子受激躍遷，然后自發(fā)輻射出熒光。通過探測熒光強(qiáng)度，可以探測出處于不同態(tài)原子的數(shù)目，得出干涉相位信息，從而推導(dǎo)出重力加速度信息。冷卻光L03-L06是利用紅失諧的激光對射對原子進(jìn)行多普勒冷卻，同時與外加磁場相配合還能實(shí)現(xiàn)原子的囚禁；一般其中還耦合有回泵光成分，是因?yàn)樵釉诙嗥绽绽鋮s過程中會自發(fā)輻射到不能夠繼續(xù)冷卻過程的其他原子基態(tài)，叫做暗態(tài)，回泵光能夠?qū)祽B(tài)原子回泵到能夠繼續(xù)多普勒冷卻的原子基態(tài)。圖2為示例三維磁光阱結(jié)構(gòu)，冷卻激光L03-L06分別包含三束激光，每兩束之間形成對射的激光束對，且三對對射的激光兩兩垂直。在上拋過程，要改變向下冷卻激光L03、L05的激光頻率，因此向下冷卻激光L03、L05的頻率要能夠獨(dú)立控制。

附屬結(jié)構(gòu)201-209為附屬在主腔體101-104之上或者與主腔體101-104配合的一些小配件。它們與主腔體101-104共同構(gòu)成本示例裝置的整體。其中，偏置磁場線圈201為纏繞在干涉區(qū)101臂上的導(dǎo)電線圈，用以產(chǎn)生沿豎直方向的磁場使原子的磁子能級去簡并。然后利用原子操縱激光L01與去簡并的磁子能級共振，選擇出在豎直方向磁偶極距投影為零的原子。這樣可以減小背景磁場的影響。磁場屏蔽層202一般由高磁導(dǎo)率材料多層纏繞構(gòu)成，作用是衰減干涉區(qū)101中的背景環(huán)境磁場。光電探測器203一般可以為光電管或者光電倍增管，其對探測區(qū)102的窗口安裝，作用是收集原子發(fā)射的熒光，并轉(zhuǎn)化為電信號，方便后續(xù)處理以及記錄。主腔體支撐板204一般為鋁合金材質(zhì)，外部與型材等支架結(jié)構(gòu)相連，用以支撐主腔體101-104。真空泵206一般包括離子泵和吸氣劑泵，與第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103和第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104之間的管道連通，用以維持主腔體101-104中的真空度，真空度一般為10^-8Pa水平。堿金屬樣品容器205,207分別于第一、第二冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)連通，內(nèi)部盛有堿金屬原子樣品，用以彌散出原子氣體，為本裝置提供工作物質(zhì)。激光反射鏡208垂直于原子操縱激光L01放置，用以將原子操縱激光L01原路反射形成對射的激光，對原子進(jìn)行操作。反亥母霍茲線圈209為兩個通入反向電流的線圈，安裝在第一冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103上并使其軸線平行于冷卻激光L03中的一束，用以在其中心處產(chǎn)生磁場強(qiáng)度零點(diǎn)和磁場梯度，從而與冷卻激光L03、L04配合，在中心處囚禁原子。

本裝置的示例運(yùn)行原理和操作過程如下：堿金屬從堿金屬樣品容器205、207中揮發(fā)到冷原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)103、104中。利用如圖2所示的三維磁光阱結(jié)構(gòu)能夠?qū)υ舆M(jìn)行冷卻囚禁。以其中一個三維磁光阱為例，另一個磁光阱與此完全相同。三維磁光阱由三對對打的冷卻激光L103、L104和反亥母霍茲線圈209組成。三對激光互相垂直，在三個方向上使原子減速；線圈209和冷卻激光L103、L104配合將原子囚禁在中心，形成原子團(tuán)a1。

利用三維磁光阱冷卻囚禁到足夠的原子后降低向下冷卻激光L03、L05的頻率將原子上拋。控制原子的上拋初始速度可以將原子團(tuán)a1，a2上拋到預(yù)定的高度?？刂苾稍訄F(tuán)a1，a2的上拋間隔可以使兩原子團(tuán)在上拋飛行過程中相對靜止。這樣兩原子團(tuán)a1、a2相對于原子操縱激光L01的多普勒失諧相同，就可以用同一束原子操縱激光L01同時操縱兩原子團(tuán)a1，a2。

在原子團(tuán)a1，a2都進(jìn)入干涉區(qū)101之后可以利用原子操縱激光L01同時對原子進(jìn)行能級選擇和速度的選擇，稱為“選態(tài)”。能級選擇包括原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級和磁子能級的選擇。利用偏置磁場線圈201產(chǎn)生磁場使原子磁子能級退簡并，調(diào)節(jié)激光頻率與豎直方向磁量子數(shù)等于零的磁量子能級共振，將它們選擇出來并且將其他原子“吹走”。豎直方向磁量子數(shù)為零的原子對磁場不敏感，可以減小磁場的影響。速度選擇就是利用不同速度的原子相對原子操縱激光L01的多普勒失諧量不同，調(diào)節(jié)原子操縱激光L01的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間，選擇出特定速度分布的原子。速度選擇之后原子在豎直方向上的速度分布可以更窄，有利于提高信噪比。

選態(tài)之后，利用原子操縱激光L01操縱原子團(tuán)a1，a2同時完成干涉過程。干涉過程一般為典型的三脈沖物質(zhì)波干涉過程。原子團(tuán)a1、a2中的原子是一種物質(zhì)波，利用等時間間隔的三束原子操縱激光L01脈沖使物質(zhì)波的波包分束、反射然后合束就可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。干涉過程得到的干涉相位中，包含有重力加速度信息。

干涉過程完成后，原子先后自由下落到探測區(qū)102，這時可以利用探測激光L02照射原子，并利用光電探測器203探測原子熒光強(qiáng)度從而給出干涉結(jié)果，得出原子團(tuán)a1，a2在干涉過程中的重力加速度信息。利用合適的方法可以直接提取出原子團(tuán)a1，a2在干涉過程中的重力加速度之差，并且具有良好的共模噪聲(干涉激光相位噪聲、地面震動噪聲等)抑制作用。同時，也可以分別提取出原子團(tuán)a1，a2干涉過程中的重力加速度。根據(jù)原子團(tuán)a1，a2干涉過程中兩處的重力加速度和重力梯度信息可以給出豎直方向上一定范圍內(nèi)任一點(diǎn)的重力加速度值。

為了使測量結(jié)果更加可信，還需要使用附加吸引質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定。將已知質(zhì)量分布的高密度質(zhì)量塊靠近干涉區(qū)101放置，根據(jù)牛頓引力定律，質(zhì)量塊產(chǎn)生的引力效應(yīng)是已知的。用原子干涉儀測出這個附加的引力效應(yīng)與已知的引力效應(yīng)進(jìn)行對比，即可完成重力(梯度)測量標(biāo)定。一般可以移動標(biāo)定質(zhì)量塊的位置，比較引力效應(yīng)的變化量大小，能夠共模掉背景引力場的影響。

最后，在地表環(huán)境中，利用支撐板203可以完成對主腔體部分的支撐。此外真空泵206可以通過支架固定到主支撐結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)支撐。

綜上所述，本裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、只需要一套探測系統(tǒng)、磁場效應(yīng)抑制好、量子投影噪聲小、儀器自吸引效應(yīng)小、標(biāo)定方便等優(yōu)點(diǎn)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。