本發(fā)明屬于絕對重力加速度精密測量領(lǐng)域，特別涉及一種小型的可移動冷原子絕對重力加速度傳感器。

技術(shù)背景

高精度絕對重力加速度測量在地理測繪、資源勘探、地質(zhì)研究、環(huán)境監(jiān)測以及國土安全等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

最早用于測量絕對重力加速度的設(shè)備基于單擺原理，其測量重復(fù)率差且精度不高。目前性能最好的絕對重力儀是基于激光干涉的方法，通過在真空中精確測量自由下落反射鏡的位置隨時間變化關(guān)系來提取絕對重力加速度?；诩す飧缮娴慕^對重力儀(如fg-5型重力儀)的最高測量精度可達2微伽，然而，這種絕對重力儀的測量重復(fù)率不高、維護調(diào)節(jié)復(fù)雜、價格昂貴，且受機械結(jié)構(gòu)、加工工藝、材料屬性的限制，其重力測量性能的提高面臨極大瓶頸(j.faller,i.marson.“ballisticmethodsofmeasuringg-thedirectfree-fallandsymmetricalrise-and-fallmethodscompared”,metrologia,198825(1)49-55.)。

冷原子干涉型絕對重力儀是近二十年內(nèi)快速發(fā)展起來的一種新型絕對重力傳感器。與傳統(tǒng)激光干涉式絕對重力儀不同，它利用冷原子物質(zhì)波的干涉性質(zhì)，通過精確測量重力誘導(dǎo)的干涉條紋相位變化來提取重力信息。利用冷原子團作為落體進行重力測量具有諸多優(yōu)勢：冷原子團內(nèi)的各個原子具有全同性，可近似被看做是相同的原子，因此測量不受機械、材料及工藝的限制；測量原理基于原子的內(nèi)稟屬性，測量受外界因素影響較小，因此穩(wěn)定性更高。冷原子團這種量子物質(zhì)的獨特屬性使得原子重力儀的優(yōu)勢越來越明顯，正因為如此，近年來，冷原子干涉型絕對重力儀引起了國內(nèi)外研究小組的關(guān)注。

早在1974年，s.altshuler等人以專利的形式提出了構(gòu)建原子干涉儀的方法及裝置(s.altshuler.“matterwaveinterferometric”1973.)。隨后，j.f.clauser等提出利用原子干涉儀精密測量重力加速度的設(shè)想(j.f.clauser.“rotation,acceleration,andgravitysensorsusingquantum-mechanicalmatter-waveinterferometrywithneutralatomsandmolecules”1989)。斯坦福大學(xué)的朱棣文等利用受激拉曼躍遷實現(xiàn)了冷原子的速度選擇，并提出可利用這種雙光子受激拉曼躍遷構(gòu)建內(nèi)態(tài)原子干涉儀。1992年，世界上第一臺原子噴泉式重力儀誕生(m.kasevich,s.chu.“measurementofthegravitationalaccelerationofanatomwithalight-pulseatominterferometer”,appl.phys.b,199254(5)321-332.)，它由朱棣文小組設(shè)計完成，重力測量分辨率為30μgal@2000s。經(jīng)改進，該冷原子重力儀的測量精度達到μgal量級。

得益于冷原子物理、量子光學(xué)及原子干涉技術(shù)的快速發(fā)展，冷原子重力儀的靈敏度和長期穩(wěn)定度已經(jīng)超過了fg-5(c.freier,m.hauth,v.schkolniketal.“mobilequantumgravitysensorwithunprecedentedstability”,arxiv:1512.05660,201581-11.)，測量精度也與fg-5接近(s.merlet,q.bodart,n.malossi,etal.comparisonbetweentwomobileabsolutegravimeters:opticalversusatomicinterferometers.metrologia,2010,47(4):9-11.)。

然而，目前國內(nèi)外各研究單位的冷原子絕對重力儀基本處于原理樣機階段，其核心部分(超高真空腔)大多由無磁不銹鋼或金屬鈦材料設(shè)計制作，這類真空腔受通光面積限制，真空腔體積大、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難與其它系統(tǒng)集成。此外，與超高真空腔連接的激光光路系統(tǒng)通常比較復(fù)雜，真空腔與激光光路通過多根光纖對接，需要多個光纖分束器以實現(xiàn)二維磁光阱、三維磁光阱和原子干涉等過程。真空單元和光路單元的復(fù)雜性導(dǎo)致現(xiàn)有冷原子絕對重力儀測量裝置，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、重量重、價格昂貴，且環(huán)境適應(yīng)性較差。所以目前大多數(shù)冷原子絕對重力儀只能工作在特定的實驗室環(huán)境，且對振動有很高的要求，尚不能用于移動測量。為實現(xiàn)可搬運異地測量以及在移動載體上的實時測量，亟需在現(xiàn)有實驗裝置的基礎(chǔ)上引入新技術(shù)減小其體積、重量、功耗，并提高其穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有冷原子絕對重力儀的上述缺點和不足，尤其是解決冷原子絕對重力儀的小型化、一體化、輕量化等問題，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低且性能可靠的絕對重力傳感器。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

第一，在現(xiàn)有冷原子絕對重力儀基礎(chǔ)上，改進由金屬材料組成的真空腔體，采用基于玻璃材料的真空腔方案，并利用光膠和銦絲密封技術(shù)，實現(xiàn)小型化冷原子重力儀真空腔的設(shè)計和制備。

第二，替代光纖分束器和準(zhǔn)直頭分光，采用自由光路分光方案，使光路單元與真空單元直接配合，減小傳感器體積重量，并提高穩(wěn)定性。

第三，采用混合傳感器方案實現(xiàn)高精度絕對重量測量，利用加速度和傾斜計等傳感器，輔助原子干涉重力儀以提高其測量性能。

更具體地說：

本發(fā)明的一種可移動冷原子絕對重力加速度傳感器，包括真空單元(10)、上平板光路單元(20)、下平板光路單元(30)、支撐單元(40)、傾斜計(50)、加速度計(60)、磁屏蔽單元(70)和被動隔振器單元(80)。其中，所述真空單元(10)固定在上下平板中間，上下平板通過支撐單元(40)連接，上平板光路單元(20)在自由空間與真空單元(10)對接，傾斜計(50)、加速度計(60)放置在下平板上，磁屏蔽單元(70)包圍上下平板，并放置在被動隔振器單元(80)上。

所述真空單元(10)主要基于玻璃材料粘接而成，由二維磁光阱(14)、三維磁光阱(17)、干涉區(qū)(18)、探測區(qū)(19)部分組成。二維磁光阱下方安置有銣源(11)，銣源由放置在無氧銅管內(nèi)的銣氣室組成。通過真空管道(12a)，二維磁光阱與外圍分子泵連接。二維磁光阱下方有用于連接二維磁光阱和銣源的玻璃管，玻璃管與金屬通過銦絲壓接密封(13a)，二維磁光阱周圍放置磁場線圈(15a)。

二維磁光阱(14)通過二級差分管(16)與三維磁光阱(17)連接，二級差分管由實心玻璃塊組成，中間逐級有兩段相互連通的小孔，兩邊分別粘接在二維和三維真空腔體上。

三維磁光阱(17)由六片玻璃板粘接而成，三維磁光阱下方依次是干涉區(qū)(18)和探測區(qū)(19)，線圈(15b)由水平方向上的兩對反亥姆霍茲線圈組成。偏置場線圈(15c)由豎直方向的亥姆霍茲線圈構(gòu)成。

主真空抽氣口(13b)在三維磁光阱的一側(cè)，由玻璃管組成，一端通過粘接與三維腔連接，另一端通過銦絲與金屬管道連接(13b)。無氧銅真空管(12b)與離子泵(16)連接到主真空抽氣口(13b)。

所述光路單元由上平板光路單元(20)和下平板光路單元(30)組成。

上平板光路單元(20)由一套分光系統(tǒng)組成，提供二維豎直光束(21)、二維水平光束(22)、二維的推送光束(23)、三維相互垂直的三激光束(24)、(25)、(26)。另外，上平板還提供吹送光(27)和拉曼光(28)，分別從水平方向和豎直方向入射到真空單元(10)。

下平板光路由分離的光學(xué)元器件搭建，包括二維光束反射器(32a)，三維光束反射器(32b)、(32c)，所述反射器由四分之波片和反射鏡粘接組合而成。集成探測光路單元(33)的后方放置反射器(34)，側(cè)方原子熒光收集系統(tǒng)(35)。另外，拉曼光反射器(31)放置在真空腔正下方。

所述真空單元與光學(xué)單元直接在自由空間對接，其中，各光束先由上平板光路分配，再經(jīng)上平板反射器直接在自由空間傳送至真空腔單元。

所述探測光路(33)輸出水平相互平行且間距相等的三束激光。

所述磁屏蔽單元(70)由高磁導(dǎo)率材料組成，離子泵(16)在磁屏蔽單元的外部。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：

1.本發(fā)明基于光膠工藝實現(xiàn)核心玻璃真空單元，基于銦絲工藝實現(xiàn)玻璃與金屬的封接，基于分子泵抽氣口實現(xiàn)真空獲取，基于離子泵實現(xiàn)極限真空的維持。玻璃真空單元具有通光自由度高、質(zhì)量輕、體積小的特點，有利于冷原子絕對重力儀的小型化、工程化設(shè)計。

2.本發(fā)明實現(xiàn)了真空單元與光學(xué)單元的無縫對接，減少了光纖分束器和準(zhǔn)直頭等器件的使用，便于實現(xiàn)一體化和輕量化設(shè)計。

3.本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低，配合加速度計和傾斜計，可進行高精度絕對重力測量，并滿足可搬運甚至移動絕對重力測量的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的上平板光路示意圖；

圖3為本發(fā)明的冷原子干涉示意圖；

圖4為本發(fā)明的歸一化探測示意圖；

圖5為本發(fā)明的傾斜校正示意圖。

圖中：

10-真空單元；；

11-銣源；

12a-二維分子泵抽氣管道；12b-三維分子泵抽氣管道；

13a-二維玻璃與金屬密接口；13b-三維玻璃與金屬密接口；

14-二維磁光阱；

15a-二維磁光阱線圈；15b-三維磁光阱線圈；15c-偏置場線圈；

16-二級真空差分管；

17-三維磁光阱；

18-原子干涉腔；

19-原子熒光探測腔；

20-上平板及其光路單元；

200-上光學(xué)平板；

201-冷卻光、再泵浦光準(zhǔn)直頭；

203-拉曼光準(zhǔn)直頭；

204-二分之一波片；

205-偏振分束器；

206-45度反射鏡；

207-包含柱面棱鏡的擴束器；

208-上光學(xué)平板中心孔；

21-二維磁光阱豎直光束；

22-二維磁光阱水平光束；

23-二維磁光阱輸送光束；

24-三維磁光阱45度斜向光束1；

25-三維磁光阱水平光束；

26-三維磁光阱45度斜向光束2；

26-吹送光束；

27-三維磁光阱吹送光束；

28-拉曼光束；28a-拉曼入射光束；28b-拉曼后向反射光束；

30-下平板及其光路單元；

31-拉曼光后向反射鏡；

32a、32b、32c-包含四分之一波片的反射鏡組；

33-集成探測光系統(tǒng)；

330-探測光集成光路；

331-探測用再泵浦光光纖及準(zhǔn)直擴束器；

332-探測用f＝2探測光光纖及準(zhǔn)直擴束器；

333-直角反射器；

334-50/50光束分束器；

335-冷原子團；

336-f＝2探測光束；

337-再泵浦光束；

338-擋光條；

34-0度反射鏡；

35-原子熒光收集系統(tǒng)；

40-支撐單元；

50-傾斜計；

60-加速度計；

70-磁屏蔽單元；

80-被動隔振器單元；

|1>、|2>-銣原子d2線基態(tài)下能級(|f＝1>)和上能級(|f＝2>)。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的冷原子絕對重力加速度傳感器作進一步地描述。

一、總體

參見圖1，本發(fā)明的一種可移動冷原子絕對重力加速度傳感器，包括真空單元(10)、上平板及其光路單元(20)、下平板及其光路單元(30)、支撐單元(40)、傾斜計(50)、加速度計(60)、磁屏蔽單元(70)和被動隔振器單元(80)。其中，所述真空單元(10)固定在上下平板中間，上下平板通過支撐單元(40)連接，上平板光路單元(20)在自由空間與真空單元(10)對接，傾斜計(50)、加速度計(60)放置在下平板上，磁屏蔽單元(70)包圍上下平板，并放置在被動隔振器單元(80)上。

所述真空單元(10)主要基于玻璃材料粘接而成，由二維磁光阱(14)、三維磁光阱(17)、干涉區(qū)(18)、探測區(qū)(19)部分組成。二維磁光阱下方安置有銣源(11)，銣源由放置在無氧銅管內(nèi)的銣氣室組成。通過真空管道(12a)，二維磁光阱與外圍分子泵連接。二維磁光阱下方有用于連接二維磁光阱和銣源的玻璃管，玻璃管與金屬通過銦絲壓接密封(13a)，二維磁光阱周圍放置磁場線圈(15a)。

二維磁光阱(14)通過二級差分管(16)與三維磁光阱(17)連接，二級差分管由實心玻璃塊組成，中間逐級有兩段相互連通的小孔，兩邊分別粘接在二維和三維真空腔體上。

三維磁光阱(17)由六片玻璃板粘接而成，三維磁光阱下方依次是干涉區(qū)(18)和探測區(qū)(19)，線圈(15b)由水平方向上的兩對反亥姆霍茲線圈組成。偏置場線圈(15c)由豎直方向的亥姆霍茲線圈構(gòu)成。

主真空抽氣口(13b)在三維磁光阱的一側(cè)，由玻璃管組成，一端通過粘接與三維腔連接，另一端通過銦絲與金屬管道連接(13b)。無氧銅真空管(12b)與離子泵(16)連接到主真空抽氣口(13b)。

所述光路單元由上平板光路(20)和下平板光路(30)組成。

上平板光路由一套分光系統(tǒng)組成，提供二維豎直光束(21)、二維水平光束(22)、二維的推送光束(23)、三維相互垂直的三激光束(24)、(25)、(26)。另外，上平板還提供吹送光(27)和拉曼光(28)，分別從水平方向和豎直方向入射到真空單元(10)。

下平板光路由分離的光學(xué)元器件搭建，包括二維光束反射器(32a)，三維光束反射器(32b)、(32c)，所述反射器由四分之波片和反射鏡粘接組合而成。集成探測光路單元(33)的后方放置反射器(34)，側(cè)方放置原子熒光收集系統(tǒng)(35)。另外，拉曼光反射器(31)放置在真空腔正下方。

所述真空單元與光學(xué)單元直接在自由空間對接，其中，各光束先由上平板光路分配，再經(jīng)上平板反射器直接在自由空間傳送至真空腔單元。

所述探測光路(33)輸出水平相互平行且間距相等的三束激光。

所述磁屏蔽單元(70)由高磁導(dǎo)率材料組成，離子泵(16)在磁屏蔽單元的外部。

二、功能部件

1、真空單元10

真空單元10的主體部分是由玻璃材料粘接而成，可實現(xiàn)二維磁光阱、三維磁光阱、冷原子干涉等功能。如圖1，二維磁光阱主真空腔14由五片玻璃粘接而成，每片玻璃分別鍍0度增透膜。三維磁光阱主真空腔17由六面玻璃粘接而成，側(cè)面兩塊玻璃上下兩部分分別鍍45度和0度增透膜，其它面鍍0度增透膜，所有鍍膜玻璃片的透光率均大于99.5％。二維和三維磁光阱腔室通過二級差分管16連接，用于保證二維和三維的真空壓力差，二級差分管由實心玻璃塊組成，中間逐級開兩段相互連通的小孔。原子干涉和探測區(qū)域分別處于三維磁光阱中心的下方。二維磁光阱線圈15a由水平和豎直的兩對反亥姆霍茲線圈構(gòu)成。三維磁光阱線圈15b由一組反亥姆霍茲線圈構(gòu)成，偏置場線圈15c由一組亥姆霍茲線圈構(gòu)成，線圈都是由金屬漆包線繞制而成。

銣源11是由一個充有1-3克固體銣的玻璃泡組成，銣源放置在一段金屬真空管內(nèi)，真空管由無氧銅材料構(gòu)成，待真空制備完成后，通過外部施加應(yīng)力于無氧銅管使玻璃泡夾破，銣原子樣品可釋放，通過加熱管道可控制銣樣品釋放速度。

分子泵抽氣口12a是由一段無氧銅管組成，連接到銣源真空管上，一端接分子泵。整個三通管與二維磁光阱下方的圓形玻璃真空管連接，玻璃平板與金屬平板通過銦絲實現(xiàn)真空密封13a。三維磁光阱腔室側(cè)方也由一段玻璃真空管與金屬真空管連接13b，通過無氧銅管材料構(gòu)成的真空管12b連到分子泵，三通的另一端連接到離子泵16。連接分子泵的真空管12a、12b待真空制備完成口可剪掉，實現(xiàn)真空的密封。整個真空腔固定在上平板和下平板之間，三維磁光阱中心為傳感器的幾何中心。

2、上平板及其光路單元20

上平板為鋁板，放置在真空腔室上方，在其上方放置有一套光路系統(tǒng)，實現(xiàn)光路的分配，如圖2所示。激光通過光纖引入到上平板，連接到準(zhǔn)直頭201、202、203，各光束通過二分之一波片204、偏振分束器205、反射鏡206實現(xiàn)功率分配，且將光束分配到上平板固定位置。準(zhǔn)直頭201包含冷卻光和再泵浦光，用于提供二維豎直光束21、二維水平光束22、二維輸送光束23、三維相互垂直的三激光束24、25、26。另外，上平板還提供用于實驗的吹送光27，包含兩個頻率的共振光，用于清除不需要的原子。這些光束在上平板固定位置被反射鏡反射進入真空腔體，實現(xiàn)冷原子制備。拉曼光28直接從腔體頂部小孔208入射到真空腔內(nèi)，并與原子團相互作用以實現(xiàn)冷原子干涉，上平板在固定位置開孔使激光可以順利入射到真空腔。

3、下平板及其光路單元30

下平板為光學(xué)鋁制面包板，上部可固定光學(xué)底座，搭建光路，配合上平板光路實現(xiàn)激光分配。下平板上主要放置四分之波片和反射鏡組合而成的反射器，包括二維光束反射器32a，三維光束反射器32b、32c，其它反射器圖中并未畫出。此外，拉曼光反射器31放置在真空腔正下方。集成探測光路單元33，用于提供歸一化探測所需的探測光束和再泵浦光束，光束由光纖引入，其后方放置反射器34，原子熒光收集系統(tǒng)35。

集成探測光路示意圖如圖4所示，探測光經(jīng)光纖入射至準(zhǔn)直頭332擴束，后經(jīng)過分束器334和直角反射鏡分為相互平行的兩束，其中一束336的部分光被擋光條338阻擋，以吹走已經(jīng)探測過的f＝2態(tài)原子團。再泵浦光經(jīng)光纖送至準(zhǔn)直頭331，經(jīng)直角反射器產(chǎn)生平行于探測光的光束337，將f＝1態(tài)原子再次泵浦到f＝2態(tài)，并被下方的探測光照射。通過原子熒光收集系統(tǒng)35探測f＝2態(tài)和f＝1態(tài)上原子布居數(shù)，實現(xiàn)歸一化探測。

4、支撐單元40

上平板和下平板通過四根實心不銹鋼桿40支撐。

5、傾斜計50

傾斜計50放置在下平板上，測量下平板水平兩個方向的傾斜角度，測量分辨率小于1微弧度，x和y方向傾斜角度實時輸出，并可被計算機高速采集，主要用于垂線方向的確認(rèn)和調(diào)整，輔助于絕對重力測量。

6、加速度計60

加速度計60放置在下平板上，測量下平板加速度信號，可以是單軸(z軸)或三軸的加速度計(或微震儀)，輸出模擬信號，可被計算機實時高速采集，用于拉曼光后向反射鏡的振動主動補償。

7、磁屏蔽單元70

磁屏蔽單元70由兩到三層高磁導(dǎo)率材料(坡莫合金)組成，整個傳感器核心(真空單元和光路單元)包含其中，離子泵因具有強磁場，放在磁屏蔽單元的外部。磁屏蔽單元主要用于地磁場屏蔽，改善測量精度。

8、被動隔振器單元80

整個絕對重力傳感器最后放置在被動隔振器單元80上，隔離地面的隨機振動噪聲，用于提高重力測量靈敏度。被動隔振器可以是商用被動隔振平臺，載荷滿足裝置要求。

三、傳感器工作原理

冷原子絕對重力傳感器的基本原理是冷原子物質(zhì)波干涉，已有文獻記載(m.kasevich,s.chu.measurementofthegravitationalaccelerationofanatomwithalight-pulseatominterferometer[j].appl.phys.b,1992,54(5):321-332.)，在此簡單描述。

如圖3所示，在重力場作用下，被激光冷卻后的原子波包自由下落。在干涉區(qū)18，通過作用時間間隔為t的三束拉曼脈沖(π/2-π-π/2，拉曼光束28a、28b用于實現(xiàn)反向雙光子拉曼躍遷)，可以實現(xiàn)原子物質(zhì)波包的分束、偏轉(zhuǎn)與合束，最終實現(xiàn)原子物質(zhì)波包的干涉。在兩條干涉路徑上，原子的內(nèi)態(tài)與外態(tài)因與激光脈沖相互作用發(fā)生相應(yīng)變化，兩條干涉路徑的相位差包含了重力加速度的信息，通過提取干涉條紋相位就可以得到重力加速度的精確值，原子干涉條紋相位δφ與重力加速度g有以下關(guān)系：

其中為拉曼光有效波矢，t為兩拉曼脈沖之間的時間間隔，α為掃描拉曼激光頻差的啁啾率，通過計算機控制可以精確改變α，從而改變拉曼光失諧，得到原子干涉條紋(p＝(1±cosδφ)/2，p為歸一化原子布居數(shù))。通過正弦擬合原子干涉條紋提取相位δφ隨時間變化，就可獲得重力加速度隨時間變化的信息。

更進一步，針對式(1)，如果則取不同的t，原子干涉條紋的相位不會發(fā)生變化，會有所謂的“暗條紋”出現(xiàn)，找到該點對應(yīng)的αdark值，可以獲得絕對重力加速度值：

gab＝2παdark/keff(2)

為了獲取絕對重力加速度值，首先必須找到絕對的豎直方向，即垂線方向，使得最大。通過調(diào)整拉曼光反射鏡傾斜角度θ，可以測量重力加速度變化δg，兩者呈拋物線關(guān)系δg/g＝-θ²/2，通過拋物線擬合可得到頂點的坐標(biāo)，即是重力加速度最大的點。在水平x和y方向分別測量兩條拋物線，可找到垂線的方向。

此外，絕對重力加速度值的獲取還需要修正各種系統(tǒng)誤差，通過反轉(zhuǎn)拉曼光波矢的方法(a.louchet-chauvet,t.farah,q.bodartetal.theinfluenceoftransversemotionwithinanatomicgravimeter,newjournalofphysics,201113(6)065025.)，可以去除二階塞曼頻移、射頻相移、單光子光移等與拉曼光波矢無關(guān)的系統(tǒng)誤差；單光子光移可通過半衰減拉曼光功率的四配置方案進行提取；科里奧利相移可通過反轉(zhuǎn)測量裝置獲取；拉曼光波前畸變引起的相移目前仍未很好解決，但通常大小在微伽量級(比較小)。

其它，還需要修正環(huán)境引起的重力值變化，比如潮汐、大氣壓、極地運動等引起的重力值隨時間變化。

冷原子絕對重力傳感器需要修正以上諸多因素引起的重力變化，最終給出當(dāng)?shù)氐慕^對重力加速度真實值。

四、傳感器優(yōu)選方案實施過程

本發(fā)明的傳感器實施過程可分為：冷原子裝載、量子態(tài)制備、冷原子干涉、歸一化熒光探測、振動補償、傾斜校正、系統(tǒng)誤差消除。

1.冷原子裝載

如圖1所示，銣原子從泡內(nèi)釋放后，通過二維磁光阱(囚禁光21、22，亥姆霍茲線圈15a)預(yù)冷卻，制備一束扁平的冷原子團。該團原子通過二維輸送光23的推送，經(jīng)由二級差分管16，輸送至三維磁光阱17。二維磁光阱不僅提高了三維磁光阱的裝載率，還能維持整個原子干涉區(qū)的真空度。三維磁光阱由三對駐波24、25、26和三維線圈15b組成，不停地裝載來自二維磁光阱的原子，只有橫向速度小于20m/s的原子，才能被三維磁光阱捕獲。當(dāng)裝載足夠量的原子后，將所有磁場關(guān)斷，通過降低冷卻光失諧和功率(偏振梯度冷卻階段)，進一步冷卻原子團溫度到微開量級，最終完成低溫冷原子團的快速裝載。

2.量子態(tài)制備

為了減小磁場對重力測量的影響，需要將冷原子團制備到對磁場不敏感的磁子能態(tài)上。實驗上，先打開偏置磁場以定義量子化軸，大小為100mg，方向與拉曼光方向平行。然后，通過兩個微波π脈沖和一個拉曼π脈沖實現(xiàn)原子在各個能態(tài)上的轉(zhuǎn)移，并結(jié)合吹送光脈沖27清除其它磁子能級上的原子，并最終實現(xiàn)量子態(tài)的純化。

3.冷原子干涉

量子態(tài)制備完成后，冷原子團進入干涉腔，如圖3，在豎直方向上作用拉曼光(28a、28b)，通過作用三束多普勒敏感的拉曼脈沖序列π/2-π-π/2使原子波包干涉分束、偏轉(zhuǎn)與合束，最終引起原子物質(zhì)波干涉。

4.歸一化熒光探測

待原子落到探測區(qū)域19，采用歸一化熒光探測的方法收集原子熒光信號。如圖4所示，原子落到第一束探測光駐波時，f＝2態(tài)上的原子發(fā)出熒光，并被原子熒光收集系統(tǒng)35收集，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換與放大送至高速數(shù)據(jù)采集卡，可認(rèn)為是f＝2態(tài)的原子布居數(shù)p2。探測完成后，下方擋光條338制作一小束行波，吹走f＝2態(tài)上的原子。f＝1態(tài)上的原子繼續(xù)往下落，經(jīng)過再泵浦光337的作用重新制備到f＝2態(tài)上，并被下方探測光探測，可認(rèn)為是f＝1態(tài)的原子布居數(shù)p1。歸一化原子數(shù)可寫為p＝p2/(p2+p1)，利用歸一化探測的方法可以消除原子數(shù)抖動的影響。

通過掃描數(shù)字頻率合成器的頻率，即拉曼光啁啾率，可測量到原子歸一化布居數(shù)：p＝(1±cosδφ)/2，其中

5.振動補償

地面豎直方向的隨機振動加速度將導(dǎo)致拉曼光反射鏡振動，從而直接影響測量到的重力加速度g，實際測量到的加速度為a＝g+avib，利用被動隔振平臺80可以減小高頻的振動，大大壓制avib，提高原子干涉條紋信噪比。為了減小低頻振動的影響，需要利用加速度計60實時采集微弱的低頻振動信號，通過主動反饋的方式進行補償。豎直振動噪聲的減小可有效壓制系統(tǒng)噪聲，提高測量的靈敏度。

6.傾斜校正

傳感器傾斜會導(dǎo)致測量到的絕對重力值偏小，傾斜的角度與重力值呈現(xiàn)二次拋物線曲線的形式，如圖5所示。通過在磁屏蔽頂部放置質(zhì)量塊可改變x方向或y方向傾斜，利用雙軸傾斜計50精確測量傾斜角度的變化，可以找到垂線的方向。實驗上，分別在x方向上和y方向上測量重力值隨傾斜角度變化的二次拋物線曲線，通過擬合得到拋物線頂點值tx0與ty0，然后通過微調(diào)質(zhì)量塊將傳感器調(diào)到該傾斜值即可。最后，通過實時測量x和y方向傾斜角度變化，可實時修正傾斜引起的重力值變化。

7.系統(tǒng)誤差消除

由測量原理知，利用不同的時序配置方案可提取和分離系統(tǒng)誤差。通過反轉(zhuǎn)拉曼光波矢的二配置測量方案，可分離與重力相關(guān)的系統(tǒng)誤差和無關(guān)的系統(tǒng)誤差；通過拉曼光功率減半的四配置測量方案，可分離雙光子光移系統(tǒng)誤差；通過180度反轉(zhuǎn)傳感器，可分離科里奧利相移系統(tǒng)誤差。結(jié)合固體潮、海潮模型，可實時修正潮汐引起的重力值變化。通過實時測量大氣壓數(shù)據(jù)，可修正氣壓導(dǎo)致的重力值變化。極地運動導(dǎo)致的重力值可通過實時極地坐標(biāo)進行計算。

通過上述修正，最終可給出絕對重力加速度值。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。