基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器及其方法，涉及原子分子物理學(xué)科中的冷原子【技術(shù)領(lǐng)域】。本傳感器由兩個(gè)冷原子干涉裝置組成，兩個(gè)干涉區(qū)域的中軸線重合并且兩個(gè)真空容器也在該方向上連通為一體，同時(shí)設(shè)置有二維磁光阱區(qū)域；本測(cè)量方法的特征為：?jiǎn)谓M原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集步驟包括：利用兩個(gè)裝置發(fā)射四個(gè)同步的落體冷原子團(tuán)、初態(tài)制備、基于公共拉曼激光光束的同步相干操作、末態(tài)探測(cè)；數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括：將n組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為n個(gè)二階相位差數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合處理兩個(gè)步驟。本發(fā)明可極大地抑制外部干擾和內(nèi)部噪聲對(duì)測(cè)量的影響，對(duì)資源勘探、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、地球物理研究等領(lǐng)域都具有非常重要意義。
【專利說(shuō)明】基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原子分子物理學(xué)科中的冷原子【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器及其方法，應(yīng)用于重力勘測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大地內(nèi)部的質(zhì)量和密度分布直接決定了地表的重力場(chǎng)，同時(shí)由重力勢(shì)的各階微商也同樣可以通過(guò)一系列算法反演得到大地內(nèi)部質(zhì)量和密度的分布特征；因此重力測(cè)量在資源勘探、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和地下目標(biāo)搜尋等事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一系列重要領(lǐng)域一直發(fā)揮著十分重要的作用。而重力勢(shì)不同階次的微商對(duì)于異常地質(zhì)體的空間靈敏度和分辨率并不相同，越高階次的微商隨埋深Z的變化越快，即具有更高的空間靈敏度，也就是說(shuō)對(duì)于異常地質(zhì)體的空間分辨能力就越強(qiáng)。
[0003]—方面，重力勢(shì)的高階微商對(duì)地球重力場(chǎng)的變化更加靈敏；另一方面，由于可采取實(shí)時(shí)差分的測(cè)量方案，震動(dòng)、潮汐和磁場(chǎng)異常等因素對(duì)測(cè)量所造成的負(fù)面影響在針對(duì)高階微商的差分測(cè)量方案中可在很大程度上被抑制掉從而使測(cè)量達(dá)到更高的精度，因此先針對(duì)高階微商進(jìn)行測(cè)量再通過(guò)積分恢復(fù)出低階微商的勘測(cè)方案目前已被廣泛使用。
[0004]迄今為止，用于測(cè)量重力勢(shì)一階微商(即重力加速度g)技術(shù)方案已經(jīng)相當(dāng)成熟，其中具有代表性的有宏觀自由落體方案和冷原子干涉方案。其中宏觀自由落體方案已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)商品化，如美國(guó)Micro-g Lacoste公司所生產(chǎn)的采用自由落體方案的FG5型絕對(duì)重力儀和CG5型相對(duì)重力儀；而冷原子干涉方案則具有更高的測(cè)量精度(可達(dá)10_12g)。對(duì)于重力勢(shì)二階微商即重力梯度的測(cè)量方法，在國(guó)際上也有低溫超導(dǎo)、旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)、靜電懸浮以及原子干涉等多種成熟的技術(shù)方案，并且已經(jīng)開(kāi)始商品化運(yùn)作。我國(guó)也已經(jīng)布局相關(guān)的研究工作，目前在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展。
[0005]如前文所述，重力勢(shì)的三階微商相對(duì)于一階、二階微商具有更高的空間靈敏度和分辨率，但目前在國(guó)際上尚未有研究機(jī)構(gòu)提出合適的直接測(cè)量裝置和測(cè)量方法。在理論上講可以使用單個(gè)重力儀先后在不同的位置進(jìn)行四次測(cè)量，或者使用四個(gè)重力儀在不同的位置進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；但前者由于沒(méi)有任何抑制共模噪聲和偏差的機(jī)制，所以無(wú)法超越單個(gè)重力儀自身測(cè)量精度的限制，后者雖然做到了在時(shí)間上同步，可以在一定程度上抑制外部環(huán)境共模噪聲的負(fù)面影響，但對(duì)于來(lái)自重力儀自身的噪聲和偏差仍然是無(wú)能為力，所以同樣不能突破其自身測(cè)量的精度。使用單個(gè)重力梯度儀先后在不同的位置進(jìn)行二次測(cè)量，或者使用兩個(gè)重力梯度儀在兩個(gè)位置進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的方案，與前面闡述的重力儀方案具有同樣的弊端。
[0006]本發(fā)明所提出的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器和測(cè)量方法，涉及冷原子【技術(shù)領(lǐng)域】中的激光冷卻和囚禁技術(shù)、移動(dòng)光學(xué)粘膠技術(shù)和基于原子干涉效應(yīng)的重力測(cè)量技術(shù)。1986年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文等人首次實(shí)現(xiàn)了原子的激光冷卻和囚禁，開(kāi)辟了冷原子物理研究的新紀(jì)元。1991年該小組采用受激拉曼躍遷的方法觀測(cè)到了原子干涉效應(yīng)，繼而又于1998年首次實(shí)現(xiàn)了冷原子干涉儀并完成了絕對(duì)重力測(cè)量(High-precision gravitymeasurements using atom interferometry, A.Peter 等，Metrologia,38 卷，25 頁(yè)，2001年)。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所也早在1995年即開(kāi)展了冷原子物理的研究工作并于1998年首次實(shí)現(xiàn)了銣原子的激光冷卻和囚禁，接著于2006年和2010年分別在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了原子干涉儀和原子干涉型重力儀原理樣機(jī)(Measurement of Local Gravityvia a Cold Atom Interferometer, L.Zhou 等，Chin.Phys.Lett.第 28 卷，013701 頁(yè)，2011年)。
[0007]2001年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kasevich小組曾將兩個(gè)獨(dú)立的冷原子干涉型重力儀沿重力方向?qū)盈B，首次用原子干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了重力梯度的測(cè)量，并達(dá)到了 40E/Hzl/2的測(cè)量靈敏度(lE=10_10g/m) (Sensitive absolute-gravity gradiometry using atominterferometry, J.M.McGuirk 等，Physical Review A,第 65 卷，033608 頁(yè)，2002 年)。但如果將此種方案進(jìn)行推廣并用于重力勢(shì)三階微商的測(cè)量，則需使用四個(gè)垂向?qū)盈B的干涉裝置，這無(wú)疑將大大增加測(cè)量系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性以及空間占用，不利于工程化和移動(dòng)測(cè)量；此外，該測(cè)量方案采用了兩個(gè)分立的原子干涉型重力儀，中間存在有兩個(gè)玻璃窗片和空氣間隙，這就使得盡管采用了公共的拉曼激光束，窗片的結(jié)構(gòu)偏差、擠壓形變及空氣的擾動(dòng)使得兩個(gè)重力儀中的原子仍然無(wú)法感受到完全相同的激光脈沖，而拉曼激光的相位偏差和噪聲是原子干涉重力測(cè)量方案中內(nèi)部噪聲和偏差的主要來(lái)源，因此拉曼激光相位偏差和噪聲的無(wú)法完全共模相消嚴(yán)重限制了測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。
[0008]綜上所述，利用單個(gè)重力儀先后進(jìn)行四次測(cè)量和利用四個(gè)分立重力儀或兩個(gè)重力梯度儀進(jìn)行同時(shí)測(cè)量?jī)煞N可能的重力勢(shì)三階微商測(cè)量方案都缺乏有效的共模噪聲抑制機(jī)制。斯坦福大學(xué)共用拉曼激光的重力梯度測(cè)量方案雖然具有一定的共模機(jī)制，但一方面存在有窗片的結(jié)構(gòu)偏差和空氣擾動(dòng)影響拉曼激光相位噪聲共模消除的問(wèn)題，另一方面由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也很難推廣到重力勢(shì)三階微商的測(cè)量領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明首次提出了一種基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器及其方法，目的在于解決基于現(xiàn)有技術(shù)的幾種可能的測(cè)量方案中的噪聲共模抑制問(wèn)題和測(cè)量裝置的體積、重量、功耗及復(fù)雜性問(wèn)題。
[0010]所要解決的問(wèn)題具體在于:
[0011]①如【背景技術(shù)】中所介紹，目前尚未有能夠直接測(cè)量得到重力勢(shì)三階微商的技術(shù)方案。如果采用單個(gè)重力儀或重力梯度儀進(jìn)行多次測(cè)量得到重力勢(shì)三階微商，由于沒(méi)有任何抑制共模噪聲和偏差的機(jī)制，所以無(wú)法超越單個(gè)重力儀自身測(cè)量精度的限制；如果采用多個(gè)重力儀或重力梯度儀進(jìn)行同步測(cè)量，雖然做到了在時(shí)間上同步，可以在一定程度上抑制外部環(huán)境共模噪聲的負(fù)面影響，但仍舊無(wú)法徹底消除來(lái)自測(cè)量裝置內(nèi)部(如原子干涉方案中的拉曼激光相位)的噪聲和偏差，同樣不能突破其自身測(cè)量的精度，同時(shí)其體積、重量、功耗及生產(chǎn)成本也都嚴(yán)重制約其工程化發(fā)展。
[0012]②斯坦福大學(xué)基于原子干涉效應(yīng)的共用拉曼激光的重力勢(shì)二階微商(重力梯度)測(cè)量方案雖然采用具有一定的共模機(jī)制，但一方面存在有窗片的結(jié)構(gòu)偏差和空氣擾動(dòng)影響拉曼激光相位噪聲共模消除的問(wèn)題，另一方面如果將該方案進(jìn)行推廣并用于重力勢(shì)三階微商的測(cè)量，則需要四個(gè)垂向?qū)盈B的原子重力儀裝置，這無(wú)疑將大大增加測(cè)量系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性以及空間占用，不利于工程化和移動(dòng)測(cè)量。
[0013]本發(fā)明的目的和效果是通過(guò)具有如下特征的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0014]簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，本發(fā)明所提出的基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商的測(cè)量方法，采用四路原子干涉環(huán)路同步采樣的技術(shù)方案共模消除來(lái)自外部環(huán)境的噪聲和偏差；其次，采用共用拉曼激光及真空連通的方案，可以徹底地將來(lái)自內(nèi)部拉曼激光相位的噪聲和偏差一并共模消除；再次，該方法采用雙磁光阱雙拋的技術(shù)方案，用相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置即可實(shí)現(xiàn)同步采樣所需的四路原子干涉環(huán)路，降低了測(cè)量裝置的體積、重量、功耗和生產(chǎn)成本；最后，重力勢(shì)三階微商的數(shù)值由差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法得出。
[0015]具體地說(shuō):
[0016]一、傳感器
[0017]本傳感器包括重力敏感型冷原子干涉裝置，其裝置的結(jié)構(gòu)是:包含有三維磁光阱區(qū)域和原子干涉區(qū)域，具體來(lái)說(shuō)包含有真空容器、三維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)、偏置磁場(chǎng)線圈、堿金屬樣品和光電探測(cè)器以及第1、3激光光束發(fā)射器；
[0018]堿金屬樣品設(shè)置于第I真空容器和第2真空容器中；以三維磁光阱區(qū)域的中心點(diǎn)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第I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)三維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)；在三維磁光阱區(qū)域的上方，連接有中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域中心點(diǎn)的原子干涉區(qū)域，該原子干涉區(qū)域的中心軸與重力方向完全重合；在原子干涉區(qū)域中心軸的上下兩端分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向裝置內(nèi)部的第3激光光束發(fā)射器；以原子干涉區(qū)域的中心軸為對(duì)稱軸設(shè)置有偏置磁場(chǎng)線圈，另有光電探測(cè)器5設(shè)置于原子干涉區(qū)域的末端；
[0019]其特征在于:
[0020]設(shè)置有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉裝置和第2重力敏感型冷原子干涉裝置；兩個(gè)裝置的原子干涉區(qū)域的中心軸線重合、指向重力方向并在重力方向?qū)盈B，兩個(gè)裝置各自的第1、第2真空容器也在該方向上連通為一體，同時(shí)在三維磁光阱區(qū)域的一側(cè)設(shè)置有包含有二維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)和第2激光光束發(fā)射器的二維磁光阱區(qū)域。
[0021]真空容器由鈦金屬材料制成或采用全玻璃結(jié)構(gòu)。
[0022]部分激光光束發(fā)射器以反射鏡為核心部件。
[0023]工作機(jī)理
[0024]在三維磁光阱區(qū)域的一側(cè)，設(shè)置有中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域中心點(diǎn)的二維磁光阱區(qū)域，以該中心軸為軸心空間對(duì)稱的四個(gè)方向(如上、下、前、后)分別設(shè)置有四個(gè)發(fā)射方向指向該中心軸且所發(fā)射激光光束的長(zhǎng)軸方向平行于該中心軸的第2激光光束發(fā)射器；同時(shí)以其中一對(duì)或全部?jī)蓪?duì)方向?yàn)檩S，對(duì)稱地設(shè)置有一對(duì)或兩對(duì)能夠產(chǎn)生二維梯度磁場(chǎng)二維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)。由第2激光光束發(fā)射器和二維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)所產(chǎn)生的六束激光光束和二維梯度磁場(chǎng)協(xié)同工作形成二維磁光講。
[0025]二維磁光阱可以產(chǎn)生中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域中心的二維冷原子束，大大提高三維磁光阱抓捕原子的速度?？墒沟靡粋€(gè)三維磁光阱能夠在很短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)制備(抓捕)并拋射兩個(gè)冷原子團(tuán)。令兩個(gè)重力敏感型冷原子干涉裝置同步工作，即可獲得四個(gè)做同步自由落體運(yùn)動(dòng)的冷原子團(tuán)。與基于現(xiàn)有技術(shù)的采用四個(gè)重力儀的可能技術(shù)方案相比，該方案僅采用兩個(gè)冷原子干涉裝置即可獲得四個(gè)測(cè)量用的落體冷原子團(tuán)并可實(shí)現(xiàn)四個(gè)原子干涉環(huán)路。
[0026]兩個(gè)重力敏感型冷原子干涉裝置的真空容器沿原子干涉區(qū)域的中心軸線連通為一體，并且僅在上方裝置的頂端和下方裝置的末端設(shè)置有共用的一對(duì)第3激光光束發(fā)射器。該方案使得四個(gè)原子干涉環(huán)路可以由同一組拉曼激光脈沖同步操作的，并且拉曼激光光束可以無(wú)阻礙地依次作用于四個(gè)落體冷原子團(tuán)，避免了玻璃窗片的結(jié)構(gòu)偏差及空氣擾動(dòng)造成的與四團(tuán)冷原子相作用的拉曼激光參數(shù)的不一致性，這就使得來(lái)自外部環(huán)境的噪聲和測(cè)量裝置內(nèi)部的噪聲(主要是來(lái)自拉曼激光參數(shù)的噪聲)對(duì)四組干涉條紋的影響是同步的，并可以完全共模消除。
[0027]此外，真空容器由鈦金屬材料制成或采用全玻璃結(jié)構(gòu)。該方案使得整個(gè)裝置的無(wú)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(chǎng)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)裝置的采樣率指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金材料，由于鈦材料的電阻遠(yuǎn)大于鋁材料，故可以減少磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的感應(yīng)渦流存在的時(shí)間，提高測(cè)量的速度。
[0028]再次，部分激光光束發(fā)射器以反射鏡為核心部件。該方案可以使得部分激光光束可以通過(guò)單次或多次反射其它的激光光束來(lái)得到，一方面可以使得整個(gè)傳感器的光學(xué)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔；另一方面對(duì)于拉曼激光光束，使用反射鏡作為其中一個(gè)第3激光光束發(fā)射器的核心部件可以使得兩個(gè)拉曼激光光束在絕大部分傳播路徑當(dāng)中是重合的，這樣可以極大程度地共模抑制掉由傳播路徑所引入拉曼激光中的噪聲。
[0029]二、測(cè)量方法
[0030]本測(cè)量方法是一種基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量方法，利用激光冷卻和囚禁技術(shù)、移動(dòng)光學(xué)粘膠技術(shù)和基于原子干涉效應(yīng)的重力測(cè)量技術(shù)，包含有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)過(guò)程，其特征在于:
[0031]數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括:
[0032]①利用第1、第2重力敏感型冷原子干涉裝置沿重力(或反重力)方向協(xié)同發(fā)射四個(gè)(各先后發(fā)射兩團(tuán))落體冷原子團(tuán)(c-Ι?4)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射初速度使得四個(gè)落體冷原子團(tuán)(c-Ι?4)做同步自由落體運(yùn)動(dòng)(即上升或下落速度及相對(duì)間距時(shí)刻保持一致)。
[0033]②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干粒子數(shù)轉(zhuǎn)移法將各原子團(tuán)中的原子轉(zhuǎn)移或篩選到某一個(gè)基態(tài)能級(jí)的磁量子數(shù)mF=0的磁子能級(jí)上。
[0034]③用同一對(duì)覆蓋原子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉曼激光光束(a_3)對(duì)四團(tuán)冷原子進(jìn)行同步的相干操作。
[0035]④探測(cè)并記錄四個(gè)原子團(tuán)中原子在各基態(tài)的分布幾率，獲得一組(4個(gè))原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0036]⑤η次改變(掃描)拉曼激光的相位并重復(fù)①?④步驟，獲得η組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0037]數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括:
[0038]①將η組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為η個(gè)二階相位差數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0039]②將η個(gè)二階相位差數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合并計(jì)算得到重力勢(shì)三階微商。
[0040]該方法用相對(duì)簡(jiǎn)單地測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)區(qū)域重力信息的同步采樣，可極大地共模抑制掉來(lái)自外部環(huán)境參數(shù)的測(cè)量偏差及噪聲；此外由于共用拉曼激光光束(a-3)，所以由內(nèi)部拉曼激光的相位所引入的噪聲和偏差也被將被共模抑制掉。所使用的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法是直接擬合得出原子干涉條紋位相的二階差分值再計(jì)算出重力勢(shì)三階微商的數(shù)值，而并非分別擬合四個(gè)原子干涉條紋的相位再兩次做差，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的對(duì)外部環(huán)境噪聲及內(nèi)部噪聲的共模抑制。
[0041]工作機(jī)理
[0042]使用堿金屬原子，首先采用雙磁光阱雙拋的方法來(lái)發(fā)射四個(gè)冷原子團(tuán)，并使其做同步的自由落體運(yùn)動(dòng)。即采用沿重力方向以一定距離上下層疊的兩個(gè)重力敏感型冷原子干涉裝置(A、B)，每一個(gè)裝置沿重力(或反重力)方向先后囚禁并發(fā)射兩個(gè)三維冷原子團(tuán)(C)，并通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射初速度，使得這兩個(gè)冷原子團(tuán)的上升或下落速度及相對(duì)間距時(shí)刻保持一致。令兩個(gè)裝置同步工作，即獲得四個(gè)做同步自由落體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)靜止的落體冷原子團(tuán)(c-Ι?4)。該方案與基于現(xiàn)有技術(shù)的利用四個(gè)重力儀進(jìn)行測(cè)量的可能方案相比較，用相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置即可實(shí)現(xiàn)同步采樣所需的四個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的冷原子團(tuán)，降低了測(cè)量裝置的體積、重量、功耗和生產(chǎn)成本。
[0043]在每一個(gè)冷原子團(tuán)發(fā)射之后，利用激光或微波泵浦方法或拉曼激光粒子數(shù)轉(zhuǎn)移方法將原子團(tuán)中的原子制備或篩選到某一個(gè)(共兩個(gè))基態(tài)能級(jí)的mF=0的(即磁場(chǎng)不敏感)磁子能級(jí)上。
[0044]隨后在原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡上(四個(gè)冷原子團(tuán)的自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡在同一條直線上)用同一對(duì)(上下兩個(gè))拉曼激光光束(a-3)先后發(fā)射π /2- π - π /2三個(gè)拉曼激光脈沖同時(shí)對(duì)四個(gè)冷原子團(tuán)進(jìn)行類似于光學(xué)馬赫-曾德(M-Z)干涉儀的分束-反射-合束操作，構(gòu)成四個(gè)同步的原子干涉環(huán)路。每一個(gè)干涉環(huán)路的兩個(gè)出射路徑上的原子數(shù)目的分布會(huì)隨著拉曼激光相位的改變而呈正弦震蕩形成原子干涉條紋，即拉曼激光的相位會(huì)直接進(jìn)入原子干涉條紋的相位。由于原子的自由落體運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致與其相作用的拉曼激光相位的變化，因此可以從原子干涉條紋的相位中包含有該區(qū)域重力加速度的信息。由于激光和原子作用使其產(chǎn)生動(dòng)量變化(路徑的分束合束)的同時(shí)始終伴隨著原子在兩個(gè)基態(tài)能級(jí)之間的布居數(shù)轉(zhuǎn)移，因此最終原子在兩個(gè)出射路徑上的分布幾率是可以通過(guò)對(duì)原子所處基態(tài)能級(jí)的探測(cè)而得到的。在該過(guò)程中，四個(gè)原子干涉環(huán)路是由同一組拉曼激光脈沖進(jìn)行同步操作的，同時(shí)由于分屬兩個(gè)裝置的第一真空容器(1-1)和第二真空容器(1-2)在原子運(yùn)動(dòng)路徑(拉曼激光路徑)上連通為一體使得拉曼激光光束(a-3)可以無(wú)阻礙地依次作用于四個(gè)落體冷原子團(tuán)(Cl?4)，避免了玻璃窗片的結(jié)構(gòu)偏差及空氣擾動(dòng)造成的與四團(tuán)冷原子相作用的拉曼激光參數(shù)的不一致性，這就使得來(lái)自外部環(huán)境的噪聲和測(cè)量裝置內(nèi)部的噪聲(主要是來(lái)自拉曼激光參數(shù)的噪聲)對(duì)四組干涉條紋的影響是同步的，并可以完全共模消除。
[0045]在獲得了四組包含有四個(gè)不同空間區(qū)域(高度)的重力加速度信息的原子干涉條紋之后，采用差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法以獲得重力勢(shì)三階微商的數(shù)值。如果按照基于現(xiàn)有技術(shù)的利用四個(gè)重力儀的可能技術(shù)方案，先對(duì)單個(gè)干涉條紋的相位進(jìn)行逐一擬合，得到四個(gè)區(qū)域各自的重力加速度數(shù)值再進(jìn)行兩次做差，則只能抑制掉一部分極低頻率的系統(tǒng)偏差，而對(duì)于頻率稍高的外部和內(nèi)部的噪聲則完全無(wú)法消除。本專利所涉及的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法并不對(duì)四組干涉條紋各自的相位進(jìn)行擬合，而是直接對(duì)四組原子干涉條紋相位的二階差分值進(jìn)行擬合，即每一個(gè)待擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)都是消除了共模噪聲的差分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)。該方法可以很好地消除來(lái)自外部環(huán)境和測(cè)量裝置內(nèi)部的共模噪聲，獲得比單個(gè)重力儀或重力梯度儀更高的測(cè)量精度。類似的數(shù)據(jù)處理方法在文獻(xiàn)(Method of phase extraction between coupledatom interferometers using ellipse-specific fitting, G.T.Foster 等，OpticsLetters，第27卷，951頁(yè)，2002年)中曾有報(bào)道，但并未涉及重力勢(shì)三階微商的測(cè)量領(lǐng)域。
[0046]本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0047]①應(yīng)用于重力勘測(cè)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重力勢(shì)三階微商進(jìn)行直接測(cè)量，具有比現(xiàn)有技術(shù)更優(yōu)越的共模噪聲消除機(jī)制和測(cè)量裝置簡(jiǎn)化機(jī)制，能夠以更簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置、更小的體積和功耗獲得比基于現(xiàn)有技術(shù)的可能測(cè)量方案更高的測(cè)量精度；
[0048]②對(duì)淺表異常地質(zhì)體具有比重力儀和重力梯度儀更高的空間分辨率；
[0049]③可以一并以高精度實(shí)現(xiàn)對(duì)重力和重力梯度的測(cè)量，即可以兼顧對(duì)深埋地質(zhì)體勘測(cè)的靈敏度和針對(duì)淺埋地質(zhì)體勘測(cè)的分辨率；
[0050]④對(duì)于資源勘探、地震監(jiān)測(cè)和地球物理研究等應(yīng)用方向均可發(fā)揮重要作用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0051]圖1是上拋式重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(截面)；
[0052]圖2是下拋式重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(截面)；
[0053]圖3是以銣-87原子為例的原子干涉過(guò)程能級(jí)示意圖；
[0054]圖4是四個(gè)不同區(qū)域(高度)的包含重力加速度信息的原子干涉條紋示意圖。
[0055]圖中:
[0056]A—第I重力敏感型冷原子干涉裝置；
[0057]B—第2重力敏感型冷原子干涉裝置；
[0058]C一三維磁光阱區(qū)域；
[0059]D—二維磁光阱區(qū)域；
[0060]E一原子干涉區(qū)域；
[0061 ] 1-1—H I真空容器，1-2—H 2真空容器；
[0062]2-1一三維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)，
[0063]2-2一二維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)；
[0064]3一偏置磁場(chǎng)線圈；
[0065]4一堿金屬樣品；
[0066]5一光電探測(cè)器。
[0067]6-1—H I激光光束發(fā)射器，
[0068]6-2—H 2激光光束發(fā)射器，
[0069]6-3—H 3激光光束發(fā)射器；
[0070]a-1—三維磁光阱囚禁激光束，
[0071]a_2—二維磁光阱囚禁激光束；
[0072]a-3—拉曼激光光束，
[0073]b—二維冷原子束，
[0074]c一三維冷原子團(tuán)；
[0075]c-Ι—H I落體冷原子團(tuán)，
[0076]c-2—第2落體冷原子團(tuán)；
[0077]c-3—第3落體冷原子團(tuán)，[0078]c-4—M 4落體冷原子團(tuán)。
【具體實(shí)施方式】
[0079]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明:
[0080]一、傳感器
[0081]1、總體
[0082]如圖1、2，本傳感器包括重力敏感型冷原子干涉裝置，其裝置的結(jié)構(gòu)是:包含有三維磁光阱區(qū)域C和原子干涉區(qū)域E，具體來(lái)說(shuō)包含有第I真空容器1-1/或第2真空容器1-2、三維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-1、偏置磁場(chǎng)線圈3、堿金屬樣品4和光電探測(cè)器5以及第1、3激光光束發(fā)射器6-1、6-3 ；
[0083]堿金屬樣品4設(shè)置于第I真空容器1-1/或第2真空容器1-2中；以三維磁光阱區(qū)域C的中心點(diǎn)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第I激光光束發(fā)射器6-1,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)三維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-1 ;在三維磁光阱區(qū)域C的上方，連接有中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域中心點(diǎn)的原子干涉區(qū)域E，該原子干涉區(qū)域的中心軸與重力方向完全重合；在原子干涉區(qū)域中心軸的上下兩端分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向裝置內(nèi)部的第3激光光束發(fā)射器6-3 ;以原子干涉區(qū)域的中心軸為對(duì)稱軸設(shè)置有偏置磁場(chǎng)線圈3，另有光電探測(cè)器5設(shè)置于原子干涉區(qū)域E的末端；
[0084]其特征在于設(shè)置有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉裝置A和第2重力敏感型冷原子干涉裝置B;兩個(gè)裝置的原子干涉區(qū)域E的中心軸線重合、指向重力方向并在重力方向?qū)盈B，兩個(gè)裝置各自的第1、第2真空容器1-1、1-2也在該方向上連通為一體，同時(shí)在三維磁光阱區(qū)域C的一側(cè)設(shè)置有包含有二維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-2和第2激光光束發(fā)射器6-2的二維磁光阱區(qū)域D。
[0085]其效果是:
[0086]二維磁光阱可以產(chǎn)生中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域C中心的二維冷原子束b，大大提高三維磁光阱抓捕原子的速度；可使得一個(gè)三維磁光阱能夠在很短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)制備(抓捕)并拋射兩個(gè)冷原子團(tuán)c ;令第1、第2重力敏感型冷原子干涉裝置A、B同步工作，即可獲得做同步自由落體運(yùn)動(dòng)的四個(gè)冷原子團(tuán)(第I?4落體冷原子團(tuán)c-Ι?c-4)。與基于現(xiàn)有技術(shù)的采用四個(gè)重力儀的可能技術(shù)方案相比，該方案僅采用兩個(gè)冷原子干涉裝置即可獲得四個(gè)測(cè)量用的第I?4落體冷原子團(tuán)c-Ι?c-4并可實(shí)現(xiàn)四個(gè)原子干涉環(huán)路。
[0087]兩個(gè)重力敏感型冷原子干涉裝置A、B的各自的第1、第2真空容器1-1、1-2沿原子干涉區(qū)域E的中心軸線連通為一體，并且僅在上方裝置的頂端和下方裝置的末端設(shè)置有共用的一對(duì)第3激光光束發(fā)射器6-3;該方案使得四個(gè)原子干涉環(huán)路可以由同一組拉曼激光脈沖同步操作，并且拉曼激光光束a-3可以無(wú)阻礙地依次作用于四個(gè)落體冷原子團(tuán)(c-Ι?c-4)，避免了玻璃窗片的結(jié)構(gòu)偏差及空氣擾動(dòng)造成的與四團(tuán)冷原子相作用的拉曼激光參數(shù)的不一致性，這就使得來(lái)自外部環(huán)境的噪聲和測(cè)量裝置內(nèi)部的噪聲(主要是來(lái)自拉曼激光參數(shù)的噪聲)對(duì)四組干涉條紋的影響是同步的，并可以完全共模消除。
[0088]另外:
[0089]*真空容器由鈦金屬材料制成或采用全玻璃結(jié)構(gòu)。
[0090]其效果是:[0091]使得整個(gè)裝置的無(wú)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(chǎng)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)裝置的采樣率指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金材料，由于鈦材料的電阻遠(yuǎn)大于鋁材料，故可以減少磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的感應(yīng)渦流存在的時(shí)間，提高測(cè)量的速度。
[0092]*部分激光光束發(fā)射器是以反射鏡為核心的部件。
[0093]其效果是:
[0094]可以使得部分激光光束可以通過(guò)單次或多次反射其它的激光光束來(lái)得到，一方面可以使得整個(gè)傳感器的光學(xué)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔；另一方面對(duì)于拉曼激光光束a-3，使用反射鏡作為其中一個(gè)第3激光光束發(fā)射器的核心部件可以使得兩個(gè)拉曼激光光束在絕大部分傳播路徑當(dāng)中是重合的，這樣可以極大程度地共模抑制掉由傳播路徑所引入拉曼激光中的噪
聲。
[0095]2、功能部件
[0096]I)第 1、2 真空容器 1-1、1-2
[0097]第1、2真空容器1-1、1-2是一種全封閉的容器，此容器和真空泵連接，確保真空度優(yōu)于 10_6Pa。
[0098]2)三維、二維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-1、2_2
[0099]三維、二維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-1、2_2是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制--? 。
[0100]3)偏置磁場(chǎng)線圈3
[0101]偏置磁場(chǎng)線圈3是一種通用的線圈，由金屬導(dǎo)線繞制而成。
[0102]4)第1、第2、第3激光光束發(fā)射器6-1、6-2、6-3
[0103]第1、第2、第3激光束發(fā)射器6-1、6-2、6_3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、聲光和電光調(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)直透鏡組或反射鏡系統(tǒng)。
[0104]5)堿金屬樣品4
[0105]堿金屬樣品4是鋰、鈉、鉀、銣和銫等堿金屬元素中的一種或幾種。
[0106]6)光電探測(cè)器5
[0107]光電探測(cè)器5是一種通用的熒光信號(hào)的測(cè)量?jī)x器，可以是半導(dǎo)體光電二極管或光電倍增管。
[0108]二、方法
[0109]該方法用相對(duì)簡(jiǎn)單地測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)區(qū)域重力信息的同步采樣，可極大地共模抑制掉來(lái)自外部環(huán)境參數(shù)的測(cè)量偏差及噪聲；此外由于共用拉曼激光光束(a_3)，所以由內(nèi)部拉曼激光的相位所引入的噪聲和偏差也被將被共模抑制掉。所使用的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法是直接擬合得出原子干涉條紋位相的二階差分值再計(jì)算出重力勢(shì)三階微商的數(shù)值，而并非分別擬合四個(gè)原子干涉條紋的相位再兩次做差，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的對(duì)外部環(huán)境噪聲及內(nèi)部噪聲的共模抑制。
[0110]三、對(duì)重力勢(shì)三階微商進(jìn)行測(cè)量的具體技術(shù)方案如下:
[0111]第I (第2)真空容器1-1 (1-2)內(nèi)的堿金屬樣品4中的堿金屬原子在常溫或微加熱狀態(tài)下升華為稀薄的原子蒸氣在真空容器內(nèi)做自由運(yùn)動(dòng)。六個(gè)第I激光光束發(fā)射器6-1發(fā)射兩兩垂直的三對(duì)相向傳播的三維磁光阱囚禁激光束a-Ι在三維磁光阱區(qū)域C的中心相交，囚禁激光的頻率與原子在基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的躍遷近共振并紅失諧(頻率稍低)。由于多普勒效應(yīng)，與某一束激光具有相向運(yùn)動(dòng)速度分量的原子會(huì)感受到與躍遷相共振的頻率，從而在這一束激光中吸收光子，獲得相反的動(dòng)量并降低速度。所以在六束激光的重疊區(qū)域，原子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)大幅減弱從而被冷卻。在該區(qū)域的真空容器之外對(duì)稱安裝有三維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-1，通以相反的電流在空間中形成空間梯度磁場(chǎng)，即在原子團(tuán)制備區(qū)域中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，在偏離中心的位置磁場(chǎng)迅速增加。由于賽曼效應(yīng)，原子的能級(jí)在磁場(chǎng)中發(fā)生分裂和移動(dòng)，選擇合適的躍遷磁子能級(jí)可使得磁場(chǎng)越強(qiáng)的位置原子的躍遷頻率越接近激光的頻率，躍遷的幾率就越高，這將使得在一定區(qū)域內(nèi)原子越是偏離中心位置所吸收的指向中心的光子就越多從而被擊退。最終由磁場(chǎng)梯度和囚禁激光光束共同協(xié)作形成三維磁光阱，原子將被冷卻并囚禁在三維磁光阱區(qū)域C的中心，形成三維冷原子團(tuán)C。該過(guò)程所使用的兩兩垂直的三維磁光阱囚禁激光束a-Ι在空間上可以選擇三種不同的指向構(gòu)型，包括(O, I, I)構(gòu)型(設(shè)三對(duì)激光束方向分別為X, y, Z方向，則y-ζ平面內(nèi)于y, z軸均成45度的方向?yàn)樨Q直方向，即如圖1、圖2中所示的結(jié)構(gòu)，但垂直紙面方向的χ光束未畫出)、(0，
O,I)構(gòu)型(選定z軸為豎直方向)、和(I, I, I)構(gòu)型(選定與χ、y、z軸成等角度的方向?yàn)樨Q直方向)。
[0112]在具體實(shí)施過(guò)程中，為了提高三維磁光阱中囚禁原子的數(shù)目和裝載速度，在三維磁光阱區(qū)域C一側(cè)的二維磁光阱區(qū)域D內(nèi)設(shè)置有能產(chǎn)生二維冷原子束b的二維磁光阱。與三維磁光阱的不同點(diǎn)在于，二維磁光阱僅使用兩對(duì)二維磁光阱囚禁激光束a-2對(duì)原子在兩個(gè)維度上(如圖1、圖2中的上下和前后方向，垂直紙面的前后方未畫出)進(jìn)行冷卻和囚禁，在第三個(gè)維度上令其自由擴(kuò)散或另加一束推載激光來(lái)使其定向運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散或運(yùn)動(dòng)的方向指向三維磁光阱區(qū)域C的中心，這樣便可以大大增加三維磁光阱中的囚禁原子數(shù)和裝載的效率。所使用的二維磁光阱囚禁激光束a-2為長(zhǎng)條型，可使用一個(gè)橢圓形光束或多個(gè)圓形光束構(gòu)成陣列，所使用的二維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)2-2可以是沿某一個(gè)囚禁維度的一對(duì)線圈或者是沿兩個(gè)囚禁維度分別設(shè)置的2對(duì)線圈。
[0113]冷原子團(tuán)制備完成之后，需要將原子沿豎直(重力)方向向上或向下發(fā)射。當(dāng)選擇向上發(fā)射時(shí)(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，改變具有向上方向分量和向下方向分量的三維磁光阱囚禁激光束的頻率，將具有向上方向分量的激光的頻率調(diào)高，同時(shí)將具有向下方向分量的激光的頻率調(diào)低，于是原子將會(huì)以更大的幾率吸收具有向上方向分量的激光束中的光子，從而獲得向上的初速度實(shí)現(xiàn)上拋。由于多普勒效應(yīng)，頻率調(diào)高或調(diào)低的幅度決定著原子最終獲得的初速度。對(duì)于單個(gè)磁光阱，要實(shí)現(xiàn)先后發(fā)射的兩團(tuán)原子(如第1、第2落體冷原子團(tuán)C-1、c-2)具有相同的實(shí)時(shí)速度，則需要給予后發(fā)射的第2落體冷原子團(tuán)c-2更小一點(diǎn)的初速度，使得該初速度與先發(fā)射的原子團(tuán)經(jīng)過(guò)重力減速之后的速度相同。如果選擇向下發(fā)射的方案(結(jié)構(gòu)如圖2所示)，則按照相同的原理，需要將具有向下方向分量的激光的頻率調(diào)高，同時(shí)將具有向上方向分量的激光束的頻率調(diào)低。并且后發(fā)射的第2落體冷原子團(tuán)c-2需要具有更大的初速度，而先發(fā)射的原子則可以選擇利用重力進(jìn)行無(wú)初速度自由下落的方法。
[0114]原子團(tuán)發(fā)射之后，首先要對(duì)原子的初態(tài)進(jìn)行制備。由于原子的能級(jí)在磁場(chǎng)中會(huì)按照磁量子數(shù)HiF發(fā)生分裂，mF Φ O的磁子能級(jí)會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化發(fā)生移動(dòng)，從而造成等效拉曼激光相位的混亂，而mF=0的磁子能級(jí)在磁場(chǎng)中幾乎不發(fā)生任何移動(dòng)，因此要將原子全部制備或篩選到某一個(gè)下能級(jí)的磁場(chǎng)不敏感的mF=0磁子能級(jí)上。堿金屬原子具有如圖3所示的兩個(gè)下能級(jí)，因此可以采用激光或微波泵浦的方法(兩個(gè)mF=0能級(jí)之間不能直接發(fā)生躍遷，因此可以使用令磁子能級(jí)不發(fā)生改變的η光/微波，另原子聚集在mF=0磁子能級(jí)上)或者篩選法(先用共振激光將一個(gè)下能級(jí)上的原子推走，再用拉曼激光脈沖將另一個(gè)能級(jí)的mF=0磁子能級(jí)上的原子通過(guò)虛上能級(jí)轉(zhuǎn)移到該能級(jí)的mF=0磁子能級(jí)上來(lái),最后再將另一個(gè)能級(jí)上的剩余原子清空)，實(shí)現(xiàn)原子在mF=0磁子能級(jí)上的布居。
[0115]下面以銣-87原子為例闡述原子干涉過(guò)程。如圖3所示，經(jīng)過(guò)態(tài)制備過(guò)程之后，原子都已經(jīng)被制備或篩選到F=2下能級(jí)的mF=0磁子能級(jí)上。在原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡上先后利用拉曼激光光束a-3加上等時(shí)間間隔的Ji /2- J1- Ji /2三對(duì)拉曼激光脈沖，兩個(gè)拉曼激光光束的頻率之差等于F=I和F=2兩個(gè)下能級(jí)的差，而各自的絕對(duì)頻率與上下能級(jí)之差存在一個(gè)約GHz量級(jí)的失諧△(頻率差)以避免單光子激發(fā)。原子在拉曼激光脈沖的作用下會(huì)在兩個(gè)下能級(jí)之間來(lái)回震蕩(拉比振蕩)，間其中η /2脈沖即為使原子在兩能級(jí)之間的拉比震蕩進(jìn)行到η /2位相時(shí)的激光脈沖，即使得原子有一半的幾率(即原子團(tuán)中一半數(shù)量的原子)吸收并發(fā)射光子并發(fā)生能級(jí)的轉(zhuǎn)移；η脈沖即為使原子在兩能級(jí)之間的拉比震蕩進(jìn)行到η位相時(shí)的激光脈沖，即使得原子以100%的概率吸收并發(fā)射光子并發(fā)生能級(jí)的轉(zhuǎn)移。原子在吸收發(fā)射光子的過(guò)程中存在有動(dòng)量交換，因此會(huì)發(fā)生類似于馬赫-曾德(M-Z)光學(xué)干涉過(guò)程中的分束、翻轉(zhuǎn)、合束過(guò)程，并完成原子的干涉。由于原子與光子發(fā)生動(dòng)量交換的過(guò)程中外部路徑和內(nèi)態(tài)能級(jí)同時(shí)發(fā)生改變，因此其宏觀運(yùn)動(dòng)路徑與其所處的內(nèi)態(tài)能級(jí)相糾纏，所以我們可以通過(guò)探測(cè)原子最終所處的內(nèi)態(tài)能級(jí)來(lái)判斷原子在兩個(gè)出射路徑上的分布幾率，即在相干操作之后，用一束共振激光去激發(fā)處于特定能級(jí)上的原子使其發(fā)射熒光，再用光電探測(cè)器4進(jìn)行探測(cè)，其相對(duì)熒光的強(qiáng)度就代表原子處于該能級(jí)的幾率。
[0116]圖4為原子干涉條紋的示意圖，仍以銣-87原子為例，假設(shè)態(tài)制備之后原子全部處于F=2，mF=0能級(jí)，則在/2- π - Ji /2三對(duì)拉曼相干操作之后，原子仍處于該能級(jí)的幾率為
卿)]，其中Keff為拉曼激光脈沖對(duì)的有效波矢，g為重力加速度，T為
脈沖作用時(shí)間間隔，_為裝置固有及人為引入的拉曼激光脈沖的相位。當(dāng)掃描拉曼激光脈
沖的相位,時(shí)(或者利用相位fo與啁嗽率即頻率變化率α之間的關(guān)系等效地掃描
α ),可以觀察到原子團(tuán)末態(tài)粒子數(shù)在兩個(gè)下能級(jí)F=I, mF=0和F=2, mF=0之間做余弦震蕩，
而重力加速度會(huì)使得該余弦曲線發(fā)生一個(gè)P=Ifgrj的相位移動(dòng) 。在重力梯度及重力勢(shì)三
階微商的測(cè)量過(guò)程中，不同區(qū)域(高度)的重力加速度g存在細(xì)微不同，會(huì)導(dǎo)致余弦曲線具有
不同的相位位移(對(duì)于重力勢(shì)三階微商的測(cè)量過(guò)程m=l~4)。在圖4中物為四
個(gè)原子干涉環(huán)路中公共的拉曼激光脈沖的相位PpPyPyP4分別為四個(gè)原子干涉環(huán)路中末態(tài)原子處于F=2,mF=0能級(jí)的幾率,值在O~I之間(O表示末態(tài)原子全部處于F=l,mF=0能級(jí)，I表示末態(tài)原子全部處于F=2, mF=0能級(jí))；內(nèi)、Ψ2、93-—分別為四個(gè)原子干涉環(huán)路中由不同的重力加速度g所造成的正弦曲線的相位移動(dòng)。雖然通過(guò)分別擬合四個(gè)原子干涉條紋，可以分別得到四個(gè)區(qū)域的重力加速度gl、g2、g3、g4的數(shù)值，再進(jìn)行二次做差得到重力勢(shì)三階微商，但為了抑制共模噪聲從而實(shí)現(xiàn)直接差分測(cè)量，我們并不以條紋相位P?為變量用余弦函數(shù)^l/2p+cos(pra+,)]對(duì)每一個(gè)干涉條紋進(jìn)行分別擬合，而是直接以四組條紋相位的二階差分值Δ(Δ|?)為變量來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即按照自上而下的順序，先將第1、第2干涉環(huán)路獲得條紋的位相公式相減得到第一相位差
【權(quán)利要求】
1.基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量傳感器，包括重力敏感型冷原子干涉裝置，其裝置的結(jié)構(gòu)是:包含有三維磁光阱區(qū)域(C)和原子干涉區(qū)域(E)，還包含有第I真空容器1-1/或第2真空容器1-2、三維磁光阱反向磁場(chǎng)線圈對(duì)(2-1)、偏置磁場(chǎng)線圈(3)、堿金屬樣品(4)和光電探測(cè)器(5)以及第1、3激光光束發(fā)射器(6-1、6-3)； 堿金屬樣品(4)設(shè)置于第I真空容器(1-1) /或第2真空容器(1-2)中；以三維磁光阱區(qū)域(C)的中心點(diǎn)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第I激光光束發(fā)射器(6-1),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)三維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)(2-1);在三維磁光阱區(qū)域(C)的上方，連接有中心軸通過(guò)三維磁光阱區(qū)域中心點(diǎn)的原子干涉區(qū)域(E)，該原子干涉區(qū)域(E)的中心軸與重力方向完全重合；在原子干涉區(qū)域中心軸的上下兩端分別設(shè)置有兩個(gè)對(duì)射的且指向裝置內(nèi)部的第3激光光束發(fā)射器(6-3)；以原子干涉區(qū)域的中心軸為對(duì)稱軸設(shè)置有偏置磁場(chǎng)線圈(3)，另有光電探測(cè)器(5)設(shè)置于原子干涉區(qū)域(E)的末端； 其特征在于: 設(shè)置有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的第I重力敏感型冷原子干涉裝置(A)和第2重力敏感型冷原子干涉裝置(B);兩個(gè)裝置的原子干涉區(qū)域(E)的中心軸線重合、指向重力方向并在重力方向?qū)盈B，兩個(gè)裝置各自的第1、第2真空容器(1-1、1-2)也在該方向上連通為一體，同時(shí)在三維磁光講區(qū)域(C)的一側(cè)設(shè)置有包含有二維磁光講反向磁場(chǎng)線圈對(duì)(2-2)和第2激光光束發(fā)射器(6-2)的二維磁光阱區(qū)域(D)。
2.按權(quán)利要求1所述的重力勢(shì)垂向三階微商的測(cè)量傳感器，其特征在于: 真空容器采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的鈦金屬材料。
3.按權(quán)利要求1所述的重力勢(shì)垂向三階微商的測(cè)量傳感器，其特征在于: 部分激光光束發(fā)射器以反射鏡為核心部件。
4.基于原子干涉效應(yīng)的重力勢(shì)三階微商測(cè)量方法，利用激光冷卻和囚禁技術(shù)、移動(dòng)光學(xué)粘膠技術(shù)和基于原子干涉效應(yīng)的重力測(cè)量技術(shù)，包含有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)過(guò)程，其特征在于: 所述的數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括: ①利用第1、第2重力敏感型冷原子干涉裝置(A、B)沿重力或反重力方向各先后發(fā)射兩團(tuán)，共四個(gè)落體冷原子團(tuán)(c-Ι?c-4)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射初速度使得四個(gè)落體冷原子團(tuán)(c-Ι?c-4)做同步自由落體運(yùn)動(dòng)； ②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干粒子數(shù)轉(zhuǎn)移法將各原子團(tuán)中的原子轉(zhuǎn)移或篩選到某一個(gè)基態(tài)能級(jí)的磁量子數(shù)mF=0的磁子能級(jí)上； ③用同一對(duì)覆蓋原子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉曼激光光束(a-3)對(duì)四團(tuán)冷原子進(jìn)行同步的相干操作； ④探測(cè)并記錄四個(gè)原子團(tuán)中原子在各基態(tài)的分布幾率，獲得一組4個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)； ⑤η次改變拉曼激光的相位并重復(fù)步驟①?④，獲得η組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)； 所述的數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括: ①將η組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為η個(gè)二階相位差數(shù)據(jù)點(diǎn)； ②將η個(gè)二階相位差數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合并計(jì)算得到重力勢(shì)三階微商。
【文檔編號(hào)】G01V7/00GK103472494SQ201310435037
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】仲嘉琪, 陳曦, 熊宗元, 宋宏偉, 朱磊, 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