专利名称：一种冷原子束干涉陀螺装置的制作方法
一种冷原子束干涉陀螺装置技术领域
本发明属于惯性测量领域的干涉陀螺装置，特别涉及一种冷原子束干涉陀螺装置。
背景技术：
目前，三光学光光栅的Mach-Zehnder型原子干涉仪主要有两种
1)热原子束的空间型原子干涉仪，如文献1 :T. L. Gustavson，P. Bouyer, Μ. A. Kasevich, Phys. Rev. Lett.，1997，78 :2046-2049 所记载。
2)脉冲冷原子云团的时间型原子干涉仪，如文献P. Cheinet,B. Canuel,F. Pereira Dos Santos, A. Gauguet, F. Leduc, A. Landragin, IEEE Trans.Instrum. Meas,2008,57 1141-1148 所记载。
对于第一种热原子束原子干涉仪，采用的原子束的纵向速度较大(纵向速度即原子束前进方向上的运动速度，通常> 200m/s)，但针对原子干涉仪对良好信噪比以及检测精度的要求，根据Mgnac效应，利用冷原子束(速度< 30m/s)可以显著提高原子干涉仪的性能。自从70年代后期以来，人们利用光场对中性原子的辐射压力作用，采用激光对原子进行冷却(降低速度)，把原子从每秒数百米甚至上千米的速度降低到每秒数厘米到数十米的速度，并进而对原子进行捕获。针对原子干涉仪，冷原子束相对热原子束具有如下优势
1)在干涉仪应用中，与热原子束较短的飞行时间( 1ms)相比，冷原子束具有相对较长的飞行时间( 0. ，具有更长的作用时间，从而使干涉仪的干涉臂所围绕的有效面积得到提高，进而获得了更大的干涉相移，提高了干涉仪灵敏度；
2)冷原子束具有更窄的速度分布，相干性更好，可以提高干涉信号的对比度和可观测干涉条纹的数目。
同时，在原子干涉仪应用中，连续出射的原子束相对脉冲原子云团具有如下优占.^ \\\ ·
1)输出信号带宽更宽，一般为约100Hz，大于脉冲原子云团的几赫兹水平；
2)基于原子束构建的原子干涉仪，其系统调节及参数优化更方便；
3)原子束的高带宽允许将干涉仪信号高频噪声快速平均予以剔除。
目前，利用原子干涉仪测量转动的应用中，性能最好的是T. LGustavson等人(T. L. Gustavson, A.Landragin, Μ. Α. Kasevich, Class. Quantum Grav. ,2000,17 2385-2398)的热原子束陀螺仪，其转动测量短期灵敏度为6 X lO.rad/s/Hz1气如果改用冷原子束，短期灵敏度有望提高一个数量级。所以，综合原子束的连续性和冷原子的慢速性两方面优势，冷原子束干涉仪相比上述两种干涉仪更具有优势。
目前，原子干涉仪测量转动信号的提取方法主要有两种一种方法采用压电陶瓷驱动原子干涉仪固定的平台转动，获得转动角速度的测量方法。如文献1 :T. L. Gustavson， P. Bouyer, Μ. Α. Kasevich, Phys. Rev. Lett.，1997，78 :2046-2049 所记载。该方法需要增加震动隔离，对环境要求较高等缺点。另外一种方法，也是采用对原子干涉仪进行相位调制，CN 102538775 A通过拟合干涉信号的包络线来确定转动角速度。如文献2 :T. L. Gustavson, A. Landragin, Μ. Α. Kasevich, Class. Quantum Grav. ,2000,17 :2385-2398 所记载。该方法虽然对环境要求不高，但是由于是从拟合包络线来确定转动角速度，因而精度较低。
由于现有技术存在对环境稳定性要求高和测量精度不高的缺点，因此希望获得一种克服上述缺点的冷原子束干涉陀螺装置。发明内容
本发明的目的在于克服目前现有的脉冲型冷原子源和热原子束在原子干涉仪应用中的不足；克服原子干涉仪对环境稳定性的高要求和信号提取精度不高的缺点，而提供一种冷原子束干涉陀螺装置，该装置具有获得光学特性良好、通量较大、能态一致、结构紧凑、性能稳定，对环境要求低、能够提取相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号，转动信号采样速度高、线性度好、动态范围大。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下
原子干涉仪构成实质一般概括为以下五个步骤(1)制备原子初始态；(2)对原子波包进行相干分离，分离为两个或更多态；C3)分别对两个态原子施加不同的干扰，干扰的不同一般由两个态原子在空间位置的不同所致；(4)对这些原子成份进行相干合并；(5)检测干涉条纹的相位变化。
本发明提供的冷原子束干涉陀螺装置，如
图1所示，其由冷原子束系统、原子束相干操纵系统和陀螺转动信号提取系统三部分组成；
该冷原子束干涉陀螺装置为采用连续出射的冷原子束1作为该物质波干涉仪的物质波源。本发明所述的冷原子束是指连续出射的冷原子束。
所述冷原子束1的纵向最可几速度为3 27m/s，纵向速度分布为0. 5 5m/s，横向速度不大于lOcm/s，原子束通量不小于Kfatoms/s量级。通过实验和理论验证，该数据的冷原子束可以通过不对称三维磁光阱技术获得，并且针对原子干涉具有最优的性能纵向最可几速度在3 27m/s范围内，使得干涉臂所围绕的有效面积得到提高，进而提高了陀螺的灵敏度；纵向速度分布在0. 5 5m/s范围内，可以大大提高干涉信号的对比度和可观测干涉条纹的数目，有益于信号提取；横向速度不大于lOcm/s的原子束，在传输过程中的发散角度小，原子束横向的多普勒频移影响小；原子束通量不小于108atomS/S量级的原子信号强度易于检测，有益于提高该原子陀螺信噪比。
所述原子束相干操纵，其由依次放置在冷原子束出射光路上的第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4 ；以及分别对所述第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4相位进行调制的第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6组成；冷原子束1进入第一光栅 2分束成两个原子能态(11 >态和I 2 >态)原子束；再通过第二光栅3进行反射，原子能态翻转，之后通过第三光栅4对原子束再次分束，分束后的每个原子能态原子束分别合束， 输出处于一个能态(|1 >态或|2 >态)的原子束的干涉信号5 ；
所述陀螺转动信号提取，其由光电探测装置10和探测激光束9组成；所述探测激光束9诱导所述原子干涉信号5发出荧光信号，所述光电探测装置10对荧光信号进行检测送入计算机进行进一步处理，对原子干涉仪干涉信号5进行傅里叶变换，在动量谱空间获得精确的调制周期与转动角速度的对应关系，从而获得精确的陀螺绝对转动角速度。所述冷原子束制备，原子束的分束、反射、合束相干操纵，原子干涉效应均在真空室中进行。
本发明的冷原子束干涉陀螺装置，其操作步骤如下
1、利用不对称三维磁光阱(3D-M0T)产生连续出射的冷原子源，再利用二维光学粘胶对该原子束进行进一步准直，利用态制备光对原子束进行能态制备，得到连续出射的、 速度低的、通量较大的、横向速度非常小的、能态一致的11 >态的冷原子束；
2、依据双光子受激拉曼跃迁原理，利用三对对射拉曼光构成三光学光栅的 π /2- π - Ji /2构型的空间型Mach-Zehnder干涉仪，使原子束进行相干分束、反射、合束；
3、分束操作使原子束内态分离(类似光学干涉仪中的分束器)，其中一半原子获得一定的横向动量，进而得到两个干涉臂；
4、反射操作使原子束内态翻转(类似光学干涉仪中的反射镜)，并且两干涉臂都获得了一定反冲动量；
5、合束操作使两干涉臂重新叠加干涉；
6、利用激光诱导原子发出荧光的方法，探测原子干涉仪干涉信号。将光电信号送入计算机，对数据进行进一步处理，进而提取转动信号。
其中，对原子干涉仪相位调制技术测量陀螺绝对转动信号的方法，步骤如下
1、通过第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6分别对第一光栅 2、第二光栅3、第三光栅4进行相位调制，记录干涉信号5 ；
2、对干涉信号5进行傅里叶变换，在动量谱空间获得精确的调制周期；
3、利用傅里叶变换的关系获得动量谱，根据动量谱的调制周期(转动效应对无转动情况的动量谱线的调制周期)与转动角速度的对应关系，从而获得了精确的陀螺绝对转动角速度。
如图1所示，本发明提供的冷原子束干涉陀螺装置从不对称三维磁光阱 (3D-M0T)中连续出射冷原子源，经过二维光学粘胶准直和态制备后，能态一致的冷原子束 1连续出射；经过第一光栅2对原子束进行分束，第一光栅2由两束满足拉比振荡频率π/2 相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器8进行相位调制；经过第二光栅3对原子束反射， 第二光栅3由两束满足π相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器7进行相位调制；经过第三光栅4对原子束再次分束，使两个态的原子分别合束，第三光栅4由两束满足π /2相位的对射拉曼激光构成，并利用调制器6进行相位调制；原子干涉信号5通过光电探测装置 10探测激光束9诱导I 2 >态上原子发出的荧光来获得。
所述的第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4可以是机械光栅也可以是利用激光驻波场形成的光学光栅。本发明采用了基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，两束拉曼光束满足受激拉曼跃迁频差和失谐量，横向空间光束形状为窄线光， 垂直高度大于10mm，水平光宽度不大于1mm。两束相干性好且具有一定频差的拉曼光源由直接边带注入锁定选频技术获得，可以采用电光调制器45来调制激光器44的种子光源，将此具有所需边带的多模激光直接注入到半导体激光二极管46中进行选频放大。进而产生满足拉曼光频差和相干性的两束拉曼光源。
本发明所提供的陀螺信号提取系统，包括分别作用于第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4的第一相位调制器8、第二相位调制器7和第三相位调制器6用于对每束拉曼光相位进行调制；通过探测激光束9激发获得的原子干涉信号5发出荧光，利用光电探测器10检测并采集原子干涉信号5的光电信号；计算机测控系统69用于控制相位调制器，采集干涉的光电信号，根据算法提取转动信号。
所述的基于相位调制技术的陀螺绝对转动信号提取方法为
构建三束拉曼激光的相位调制形式为
Φ^ ) = 2Ψια)+Ψ3( )
Φ2α) = ψ!α)+ψ2α)
Φ3α) = 2ψ2α)-ψ3α)
其中
C^(t)、Φ2α)、Φ3α)依次为第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4拉曼脉冲相对共同起点的相位；
ψ^υ、ψ2α)、ψ3α)为构成该拉曼脉冲相位调制形式所需的三个频率综合器的相位。
在此调制形式的基础上，对时域空间的原子干涉信号进行傅里叶变换，获得动量谱空间内的动量谱函数，根据如下的动量谱调制周期T0与转动角速度Ω的对应关系，可以获得精确的陀螺绝对转动信号(角速度)
权利要求
1. 一种冷原子束干涉陀螺装置，其由冷原子束系统、原子束相干操纵系统和陀螺转动信号提取系统三部分组成；所述冷原子束系统连续出射11 >态的冷原子束(ι)作为该冷原子束干涉陀螺装置的物质波源，该|1 >态的冷原子束(1)的纵向最可几速度为3 27m/s，纵向速度分布为 0. 5 5m/s，横向速度不大于10cm/s，原子束通量不小于l(fatoms/s量级；所述原子束相干操纵系统由依次放置在11 >态的冷原子束(1)出射路径上的第一光栅O)、第二光栅⑶和第三光栅⑷；以及依次对所述第一光栅O)、第二光栅⑶和第三光栅(4)相位进行调制的第一相位调制器(8)、第二相位调制器(7)和第三相位调制器(6) 组成；处于11 >态的冷原子束(1)进入第一光栅(2)分束成11 >态原子束和|2 >态原子束；再通过第二光栅C3)进行反射，二束原子能态翻转，汇聚一处；之后通过第三光栅(4) 对原子束再次分束，分束后的每个原子能态的原子束分别合束；最后输出处于I 2 >能态的原子束的干涉信号(5)和处于11 >能态的原子束的干涉信号(5，)；第一光栅O)、第二光栅(3)和第三光栅(4)均为满足基于双光子受激拉曼跃迁原理的、偏振方向正交的、横截面为窄线状的、两拉曼光成份对射的拉曼光学光栅；第一光栅O)、第二光栅C3)和第三光栅 (4)分别满足原子受激拉曼跃迁的π/2、π和π/2相位，并分别实现对原子束的分束、反射和合束的相干操纵；所述陀螺转动信号提取系统由光电探测装置(10)、探测激光束(9)和计算机测控系统 (69)组成；所述探测激光束(9)诱导所述的处于I 2 >能态的原子束的干涉信号( 发出荧光信号，所述光电探测装置(10)对所发出的荧光信号进行探测并送入计算机进行进一步处理，所述的处理为对时域空间内的|2>能态原子束的干涉信号( 进行傅里叶变换， 获得动量谱空间内的转动的动量谱函数和无转动的动量谱函数；转动的情况下，转动作用对无转动的动量谱函数具有周期为T0的调制作用，进而得到转动的动量谱函数，该调制周期1\与惯性空间转动角速度信号Ω之间满足如下关系其中，Vtl为11 >态的冷原子束(1)的最可几速度；krff为两对射拉曼光成份对11 >态的冷原子束(1)操纵的有效波矢；L为该冷原子束干涉陀螺装置的干涉长度；T0 有转动信号时的动量谱相对无转动信号时的动量谱函数的调制周期；通过测量该调制周期T0,获得精确的陀螺转动角速度信号Ω ； 所述的冷原子束系统和原子束相干操纵系统处于真空系统中。 .
2.按权利要求1所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特征在于，所述冷原子束系统包括真空室中相对放置一对第一反亥姆霍茨线圈(18)和第二反亥姆霍茨线圈(18’)，位于该对第一反亥姆霍茨线圈(18)和第二反亥姆霍茨线圈(18’ )之间的原子蒸汽通过一个不对称的三维磁光阱进行冷却并被捕获形成冷原子云团(11)，在激光束(1 传输方向上放置一带有小孔的四分之一波片/反射镜组，小孔的存在使所述三维磁光阱的径向激光束 (12)的反射激光束方向上的激光对原子云团(11)的辐射压力不平衡，从而把捕获住的冷原子云团(11)从该小孔推射出形成冷原子束；冷原子束由小孔出射后，利用二维光学黏胶技术对出射的冷原子束进行横向压缩准直，减小横向速度，并最终用态制备激光束(17)将冷原子束制备到原子能级的11 >态上，获得光学特性良好的11 >态冷原子束(1)。
3.按权利要求1所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特性在于，所述的第一拉曼光学光栅O)、第二拉曼光学光栅C3)和第三拉曼光学光栅的相位分别被第一相位调制器 (8)、第二相位调制器(7)和第三相位调制器(6)调制，构建三束拉曼激光的相位调制形式为O1W = 2ψ1α)+ψ3ω φ2ω = ψ^υ+ψ^υ φ3ω = 2ψ2α)-ψ3ω其中，C^1 α)、Φ2α)、Φ3α)分别为第一光栅2、第二光栅3和第三光栅4的拉曼脉冲相对共同起点的相位呷工⑴、ψ2α)、ψ3α)分别为构成该拉曼脉冲相位调制形式所需的三个频率综合器的相位。
4.按权利要求ι所述的冷原子束干涉陀螺装置，其特征在于，所述第一光栅ο)、第二光栅( 和第三光栅(4)分别为基于双光子受激拉曼跃迁原理的连续对射型拉曼光束的光学光栅，其制备如下第三激光器G4)的输出光经过光分束器G9)分为两部分，一部分激光经过电光调制0 调制，得到具有两边带和载波频率三个模式的种子光；将此种子光注入到半导体激光二极管G6)内，进行注入锁定选频放大；输出光经过1/2波片(47)，输入到光纤耦合头G8)内；另一束光通过反射镜(50)进入声光调制器(51)、1/2波片(52)，输入到光纤耦合头(5 内；调节两个1/2波片(47,5 使两束光分别与光纤的快轴和慢轴平行输入到光纤，之后经过PBS型光纤合束器(54)进行合束，得到偏振方向垂直正交的线偏振的两拉曼光成份；通过光纤连接器(5 将两耦合的激光输入到NPBS型一分三光纤分束器(56)内，再将此耦合激光按照1:2:1的比例进行分束，再通过光纤线光扩束器(57， 58，59)扩束为线光束，之后利用狭缝光栏(60)对光束进行进一步整形；将此三束线光分别经过1/4波片(61)，使两拉曼光成份为相互正交圆偏振；该三束线光通过冷原子束后，将其分别经过1/4波片(6 和偏振分光棱镜(6 滤除其中一个偏振方向的拉曼光分量，剩余另外一个偏振方向拉曼光分量透射过去，又经过透镜对(64)缩小光束光斑，利用零度反射镜(6 原路反射，在光束缩小位置处分别通过声光调制器(6，7，8)的双向移频来调制剩余拉曼光分量的光频率，实现对拉曼光的相位调制；这样，得到三束两两对射、圆偏振方向正交的线状拉曼光学光栅，即第一光栅O)、第二光栅C3)和第三光栅G)。
全文摘要
一种冷原子束干涉陀螺装置由冷原子束、原子束相干操纵和陀螺转动信号提取三系统组成；冷原子束系统连续出射|1＞态冷原子束作为物质波源；原子束相干操纵系统由依次置于|1＞态冷原子束出射路径上的三个光栅；以及分别对三个光栅相位进行调制的三个相位调制器组成；|1＞态冷原子束依次进入三个光栅，进行分束、反射和再分束，得|2＞能态和|1＞能态原子束干涉信号；陀螺转动信号提取系统的探测激光束诱导|2＞能态原子束干涉信号发出荧光信号，光电探测装置对荧光信号进行探测并送入计算机进行处理，得陀螺转动角速度信号；可获环境要求低的相对惯性空间的高精度陀螺绝对转动信号。
文档编号G01C19/58GK102538775SQ20111042858
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月24日
发明者冯焱颖, 叶雄英, 周兆英, 朱常兴, 王晓佳, 薛洪波 申请人:清华大学