一种阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量系统的制作方法

本发明属于重力场勘测技术领域，具体涉及一种阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量系统。

背景技术：

重力场的精密测量既能用于引力相关的基础物理研究，又能用于重力匹配导航、地下资源勘探等实用领域。重力场是个矢量场，它对空间位置的一阶微商就是重力梯度。重力梯度是一个二阶张量，有9个分量，可以表示为：这是一个3×3的矩阵。由于测量传感器所处的空间没有源吸引质量，所以有且因为引力场是保守场，要求Γ_ij＝Γ_ji。所以重力梯度张量只有五个独立分量。

重力梯度张量分量的测量可以通过不同的方法来实现。比如低温超导重力梯度仪、旋转加速度计重力梯度仪、静电悬浮重力梯度仪、以及FG-5绝对重力仪构成的梯度仪、原子干涉重力梯度仪等。原子干涉重力梯度仪具有潜在灵敏度高、无零点漂移等优点。

冷原子干涉技术最初在1991年由美国斯坦福的朱隶文教授小组实现。由于微观粒子具有波动性，因此微观粒子的波包在不同路径演化之后重合可以发生干涉现象。利用激光操纵原子，使原子的波包发生分束、反射、合束，可以实现原子的干涉。原子具有静止质量，其波包在重力场中演化受重力势能影响，原子干涉的干涉相位包含重力项。因此，原子干涉仪可以用来进行高精度重力测量。

利用原子干涉法进行重力梯度测量要求在一个方向上构造两个原子干涉仪，测得两个重力加速度。将两个重力加速度差分再除以两个干涉仪之间的距离，就得到一个重力梯度张量分量的值。

目前，对重力梯度张量的测量主要是对单一分量的测量。第一种是对的测量，其配置为利用竖直方向的激光束同时操纵竖直方向的两团原子进行干涉。(Physics Review A 65，033608，2002)。第二种是对(或)的测量，其配置为利用水平方向的激光束同时操纵水平方向的两团原子进行干涉。(X.Wu，PhD thesis，Stanford University，2009)。以上两种重力测量装置都只能测量重力梯度张量的某一个分量，所以不能够给出重力梯度张量的全部信息，其应用范围受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量系统，旨在解决现有技术的原子干涉重力梯度仪只能进行单个重力梯度张量分量测量的不足的问题。

本发明提供了一种阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量系统，包括：n个阵列式排布的冷原子干涉单元，冷原子干涉单元包括：真空腔体；真空腔体包括上干涉区，下干涉区，探测区和原子团制备结构，上干涉区为一根细长型管道，且在所述上干涉区安装有用于引入竖直激光L1的玻璃窗口；下干涉区为多窗口的腔体，且安装有玻璃窗口以引入水平激光L2；探测区为多窗口的腔体，且安装有用于为探测激光L4和所要收集的荧光提供通道的窗口；原子团制备结构为多面体结构且安装有用于为冷却激光L5、L6和竖直激光L1提供通道以及为监测制备时的冷原子团a0提供通道的窗口，其中，n为大于等于2的整数。

更进一步地，所述冷原子干涉单元还包括：竖直激光束发射器、水平激光束发射器、光电探测器、真空泵、碱金属样品容器、激光反射镜和反亥母霍兹线圈；所述竖直激光束发射器为圆柱形激光束扩束装置，垂直正对于上干涉区的顶端窗口，用于将激光从光纤中引出并出射；所述水平激光束发射器为圆柱形激光束扩束装置，垂直正对于下干涉区的侧面窗口，用于将激光从光纤中引出并出射；光电探测器对准所述探测区的窗口安装，用于收集原子发射的荧光并转化为电信号；所述真空泵与所述原子团制备结构连通，用于维持所述真空腔体的真空度在10^-8Pa～10^-7Pa；所述碱金属样品容器与所述原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用于弥散出原子气体并提供工作物质；所述激光反射镜垂直于竖直激光L1放置，用于将竖直激光L1原路反射形成对射的激光从而对原子进行操作；所述反亥母霍兹线圈安装在所述原子团制备结构上并使其轴线平行于冷却激光L5中的一束，用以在其中心处产生磁场强度零点和磁场梯度，从而与冷却激光L5、L6配合，在磁场零点处囚禁原子。

更进一步地，所述下干涉区与探测区之间、所述探测区与所述原子团制备结构之间通过钛合金管道连接。

更进一步地，水平激光束发射器包括：四个相同的光纤扩束器，用于出射水平激光L2。

更进一步地，光电探测器为光电管或者光电倍增管。

更进一步地，反亥母霍兹线圈为两个通入反向电流的线圈。

更进一步地，n为3时，三个冷原子干涉单元在同一个平面内成直角排列。

更进一步地，三个冷原子干涉单元中，第一冷原子干涉单元A和第三冷原子干涉单元C的连线沿x轴方向，第一冷原子干涉单元A和第二冷原子干涉单元B的连线沿y轴方向；在竖直方向上，三束竖直激光L1操纵第一冷原子团A-a1、第二冷原子团A-a2、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时干涉，实现重力梯度张量中的分量的同时测量；第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2之间的干涉结果的差分给出的测量结果；第一冷原子团A-a1和第三冷原子团B-a1之间的差分给出第一冷原子团A-a1和第四冷原子团C-a1之间的差分给出在水平方向上，三组水平激光L2操纵同一水平面上的第一冷原子团A-a1、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时干涉，实现重力梯度张量中的分量的同时测量；第一冷原子团A-a1和第三冷原子团B-a1干涉结果的差分给出第一冷原子团A-a1和第四冷原子团C-a1干涉结果的差分给出其中，x-y-z构成右手直角坐标系，z轴沿竖直方向，x或y沿东西或者南北方向。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)本发明利用多个冷原子干涉单元共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉，利用两个原子团干涉结果的差分可以测量重力梯度张量的非对角分量目前尚无基于原子干涉法的重力梯度张量非对角分量测量装置及方案，本发明所述系统实现了零的突破。

(2)本发明利用多个冷原子干涉单元共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉。在一次测量中，本发明所述系统可以实现重力梯度张量竖直方向三个分量的同时测量或者水平方向两个分量的同时测量。相比单一张量分量原子干涉重力梯度仪，本系统具有更高的测量速度。

(3)本发明利用多个冷原子干涉单元共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉。交替进行竖直和水平方向的测量可以得出重力梯度张量的全部五个独立分量，即本发明可以测量出重力梯度张量的全部信息。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为单元装置结构示意图；

图3为操纵原子的水平方向激光配置示意图；

图4为三维磁光阱结构示意图。

其中，A为第一冷原子干涉单元，B为第二冷原子干涉单元，C为第三冷原子干涉单元，a0为制备时的冷原子团，A-a1为第一冷原子团、A-a2为第二冷原子团、B-a1为第三冷原子团、C-a1为第四冷原子团，L1为竖直激光，L2为水平激光，L21为第一水平激光，L22为第二水平激光，L3为水平选态激光，L4为探测激光，L5为向下冷却激光，L6为向上冷却激光，101为上干涉区，102为下干涉区，103为探测区，104为原子团制备结构，201为竖直激光束发射器，202为水平激光束发射器，203为光电探测器，204为真空泵，205为碱金属样品容器，206为激光反射镜，207为反亥母霍兹线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对以前的原子干涉重力梯度仪只能进行单个重力梯度张量分量测量的不足，本发明提供了一种基于原子干涉方法的重力梯度张量全分量测量系统的实现方案。

本发明提供的阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量系统包括：n个阵列式排布的冷原子干涉单元，n为大于等于2的整数。

在本发明中，为叙述方便，定义右手直角坐标系x-y-z。其中z轴沿竖直方向，x(或y)沿东西或者南北方向。

为了便于描述，以n等于3为例，三个冷原子干涉单元A、B、C在水平面上成直角排列，其中第一冷原子干涉单元A和第三冷原子干涉单元C的连线沿x轴方向，第一冷原子干涉单元A和第二冷原子干涉单元B的连线沿y轴方向；在竖直方向上，三束竖直激光L1操纵第一冷原子团A-a1、第二冷原子团A-a2、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时干涉，实现重力梯度张量中的分量的同时测量。其中，第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2之间的干涉结果的差分给出的测量结果；第一冷原子团A-a1和第三冷原子团B-a1之间的差分给出第一冷原子团A-a1和第四冷原子团C-a1之间的差分给出在水平方向上，三组水平激光L2操纵同一水平面上的第一冷原子团A-a1、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时干涉，实现重力梯度张量中的分量的同时测量。其中，第一冷原子团A-a1和第三冷原子团B-a1干涉结果的差分给出第一冷原子团A-a1和第四冷原子团C-a1干涉结果的差分给出

将水平方向和竖直方向的测量交替进行，可以得出重力梯度张量所有五个独立分量的值。五个独立分量包含了重力梯度张量的全部信息，所以本发明所述系统可以进行重力梯度张量全分量测量。

图1示出了本发明实施例提供的基于原子干涉的重力梯度张量全分量测量系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，且以n等于3为例，详述如下：

本梯度张量全分量测量系统包含三个结构相同的冷原子干涉单元A、B和C，三个单元在水平面上成直角放置，其中第一冷原子干涉单元A和第三冷原子干涉单元C的连线沿x轴方向，第一冷原子干涉单元A和第二冷原子干涉单元B的连线沿y轴方向。每个单元装置结构如图2所示，冷原子干涉单元A、B、C的结构相同，现以冷原子干涉单元A为例详述如下：

主要由构成真空容器的超高真空度腔体101-104以及附属结构201-207构成；激光L1-L6和冷原子团a0、a1、a2为本系统的工作物质。

超高真空度腔体101-104部分为本装置的主要机械结构，主要作用是为原子蒸汽提供一个密封容器和为冷原子的制备和操纵提供一个超高真空度环境，所要求的真空度一般为10^-8-10^-7Pa水平。真空腔体所选材料一般有钛合金或者微晶玻璃。现以钛合金为例进行简要说明：腔体与腔体之间同样使用钛合金管道进行连接；激光束通过的地方使用玻璃窗口；各分离部件之间的连接使用法兰压紧无氧铜垫片进行密封。

超高真空度腔体包括：上干涉区101，下干涉区102，探测区103，原子团制备结构104。其中，上干涉区101一般可以为一根细长型管道，主要作用是为第二冷原子团A-a2干涉提供空间；其上端安装有玻璃窗口以引入竖直激光L1。下干涉区102一般为多窗口的腔体，主要作用是为第一冷原子团A-a1干涉提供空间；其垂直于y轴的面上安装有玻璃窗口以引入水平激光L2。探测区103一般为多窗口的腔体，其为原子的探测过程提供空间，所安装的窗口为探测激光L4和光电探测器203所要收集的荧光提供通道。原子团制备结构104，一般为多面体结构，有很多窗口；其能为冷却囚禁原子提供空间，窗口能为冷却激光L5、L6和竖直激光L1提供通道，同时也为监测制备时的冷原子团a0提供通道。下干涉区102与探测区103之间、探测区103与原子团制备结构104之间通过钛合金管道连接。

附属结构201-207为附属在主腔体101-104之上或者与主腔体101-104配合的一些小配件。它们与主腔体101-104共同构成本示例单元的整体。其中，竖直激光束发射器201和水平激光束发射器202一般为圆柱形激光束扩束装置，用以将激光从光纤中引出并出射；它们分别垂直正对于上干涉区101的顶端窗口和下干涉区102的侧面窗口。如图3所示，水平激光束发射器202由四个相同的光纤扩束器组成，用以出射水平激光L2的两个成分第一水平激光L21、第二水平激光L22。光电探测器203一般可以为光电管或者光电倍增管，其对准探测区103的窗口安装，作用是收集原子发射的荧光，并转化为电信号，方便后续处理以及记录。真空泵204一般包括离子泵和吸气剂泵，与原子团制备结构104连通，用以维持超高真空度腔体101-104中的真空度。碱金属样品容器205与原子团制备结构104连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，为本装置提供工作物质。激光反射镜206垂直于竖直激光L1放置，用以将竖直激光L1原路反射形成对射的激光，对原子进行操作。反亥母霍兹线圈207为两个通入反向电流的线圈，安装在原子团制备结构104上并使其轴线平行于冷却激光L5中的一束，用以在其中心处产生磁场强度零点和磁场梯度，从而与冷却激光L5、L6配合，在磁场零点处囚禁原子。

激光束L1-L6用来制备和操纵冷原子团。其中竖直激光L1和水平激光L2一般为Raman光束或者Bragg光束，其作用是照射原子，使原子发生受激Raman跃迁或者Bragg衍射，实现原子波包的分束、反射与合束，即操纵原子进行干涉；一般竖直激光和水平激光L1、L2中还可以耦合进清除光，用来清除特定能态的原子。清除光的原理是使原子获得光子动量加速，从而被“吹走”。如图3所示，水平激光L2有两个成分第一水平激光L21、第二水平激光L22。这两个成分相互平行，每一个成分由两束激光对射形成，且对射的两束激光相位差锁定并可以调节。第一水平激光L21完成第一冷原子团A-a1波包的反射操作；第二水平激光L22完成第一冷原子A-a1波包的分束、合束操作。水平选态光L3的作用是对水平方向的干涉进行选态；探测光L4的作用是照射原子，使原子受激跃迁，然后自发辐射出荧光。通过探测荧光强度，可以探测出处于不同态原子的数目，得出干涉相位信息，从而推导出重力加速度信息。冷却激光L5、L6是利用红失谐的激光对射对制备时的冷原子a0进行多普勒冷却，同时与外加磁场相配合还能实现制备时的冷原子团a0的囚禁；一般其中还耦合有回泵光成分，是因为原子在多普勒冷却过程中会自发辐射到不能够继续冷却过程的其他原子基态，叫做暗态，回泵光能够将暗态原子回泵到能够继续多普勒冷却的原子基态。图4为示例三维磁光阱结构，冷却激光L5、L6分别包含三束激光，形成三对对射的激光，且三对对射的激光两两垂直。在上抛过程，要改变向下冷却激光L5的激光频率，因此向下冷却激光L5的频率要能够独立于向上冷却激光L6控制。

冷原子团a0、A-a1、A-a2为本系统的工作物质。其中制备时的冷原子团a0为制备过程形成的冷原子团，第一冷原子团为A-a1为上抛到下干涉区102的原子团，第二冷原子团A-a2为上抛到上干涉区101的冷原子团。

本装置的示例运行原理和操作过程如下：碱金属从碱金属样品容器205中挥发到原子团制备结构104中。利用如图4所示的三维磁光阱结构能够对原子进行冷却囚禁。三维磁光阱由三对对打的冷却激光L5、L6和反亥母霍兹线圈207组成。三对激光互相垂直，在三个方向上使原子减速；反亥母霍兹线圈207和冷却激光L5、L6配合将原子囚禁在中心，形成制备时的冷原子团a0。

利用三维磁光阱冷却囚禁到足够的原子后降低向下冷却激光L5的频率将原子上抛。对于第一冷原子干涉单元A，控制原子的上抛初始速度可以将第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2上抛到预定的高度；控制上抛间隔可以使第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2在上抛飞行过程中相对静止。这样第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2相对于竖直激光L1的多普勒失谐相同，就可以用同一束竖直激光L1同时操纵第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2。对于第二和第三冷原子干涉单元B、C，仅需要上抛一团第三冷原子团B-a1或者第四冷原子团C-a1。第一冷原子干涉单元A上抛的第一冷原子团A-a1、第二冷原子干涉单元B上抛的第三冷原子团B-a1、第三冷原子干涉单元C上抛的第四冷原子团C-a1的高度要保持一致。

对于竖直方向的干涉，需要在竖直方向上进行“选态”。在第一冷原子团A-a1进入下方干涉区102之后，可以利用竖直激光L1同时对原子进行能级选择和速度的选择，称为“选态”。能级选择包括原子的超精细结构能级和磁子能级的选择。调节激光频率与竖直方向磁量子数等于零的磁量子能级共振，将它们选择出来并且将其他原子“吹走”；竖直方向磁量子数为零的原子对磁场不敏感，可以减小磁场的影响。速度选择就是利用不同速度的原子相对原子操纵激光L1的多普勒失谐量不同，调节原子操纵激光L1的频率、强度和持续时间，选择出特定速度分布的原子。速度选择之后原子在竖直方向上的速度分布可以更窄，有利于提高信噪比。

对于水平方向的干涉，需要在水平方向上进行“选态”。水平方向上的“选态”与竖直方向的“选态”功能相同，方法类似。不同点仅在于水平方向的“选态”要利用水平方向的激光进行。在本示例系统中利用水平选态激光L3进行“选态”。

选态之后就是干涉过程。干涉过程一般为典型的三脉冲物质波干涉过程。原子团中的原子是一种物质波，利用等时间间隔的三束竖直激光L1或者三组水平激光L2脉冲使物质波的波包分束、反射然后合束就可以发生干涉现象。对于竖直方向的干涉，在竖直方向的选态完成之后，利用三束竖直激光L1操纵第一冷原子团A-a1、第二冷原子团A-a2、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时完成干涉过程。竖直方向的干涉过程得到的干涉相位中，包含有重力加速度竖直分量的信息，可以表示为g_z。对于水平方向的干涉，在水平方向的选态完成之后，利用三组水平激光L2操纵同一水平面上的第一冷原子团A-a1、第三冷原子团B-a1、第四冷原子团C-a1同时完成干涉过程。水平方向的干涉过程得到的干涉相位中，包含有重力加速度水平分量的信息，可以表示为g_y。

干涉过程完成后，原子自由下落到探测区103，这时可以利用探测激光L4照射原子，并利用光电探测器203探测原子荧光强度从而给出干涉结果，得出四个重力加速度竖直分量g_z或者三个重力加速度水平分量g_y。利用合适的方法可以直接提取出任意两个重力加速度分量之差。重力梯度张量的所有五个独立分量可以由这些加速度分量之差得到。重力梯度张量分量的表达式依次为：

其中x_AC表示第一冷原子团A-a1与第四冷原子团C-a1沿x轴方向的距离；y_AB表示第一冷原子团A-a1与第三冷原子团B-a1沿y轴方向的距离；z_AA表示第一冷原子团A-a1和第二冷原子团A-a2沿z轴方向的距离。表示第一冷原子团A-a1测到的重力加速度水平分量g_y；表示第三冷原子团B-a1测到的重力加速度水平分量g_y；表示第四冷原子团C-a1测到的重力加速度水平分量g_y；表示第一冷原子团A-a1测到的重力加速度竖直分量g_z；表示第二冷原子团A-a2测到的重力加速度竖直分量g_z；表示第三冷原子团B-a1测到的重力加速度竖直分量g_z；表示第四冷原子团C-a1测到的重力加速度竖直分量g_z。

由于原子干涉重力梯度测量是由两个加速度分量的差测得，一般要求对震动噪声和激光相位噪声具有共模抑制作用。本系统可以通过以下方式实现共模抑制。对于激光相位噪声，三个冷原子干涉单元A、B、C的竖直激光L1由同一激光经过分束后由光纤分别引入三个单元；同理，三个冷原子干涉单元A、B、C的水平激光L2也来源于同一光源。对于震动噪声，竖直方向，三个竖直激光束发射器201固定在同一刚性结构上，三个激光反射镜206固定在同一刚性结构上；水平方向，三组共十二个水平激光束发射器202固定在同一刚性结构上。共模抑制的原理是，同一光源的相位噪声相同，固定在同一刚性结构上的激光束发射器震动情况相同，所以在差分测量中它们可以被差分掉。

本发明利用三个冷原子干涉单元A、B、C共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉，利用两个原子团干涉结果的差分可以测量重力梯度张量的非对角分量目前尚无基于原子干涉法的重力梯度张量非对角分量测量装置及方案，本发明所述系统实现了零的突破。本发明利用三个冷原子干涉单元A、B、C共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉。在一次测量中，本发明所述系统可以实现重力梯度张量竖直方向三个分量的同时测量或者水平方向两个分量的同时测量。相比单一张量分量原子干涉重力梯度仪，本系统具有更高的测量速度。本发明利用三个冷原子干涉单元A、B、C共同工作，利用激光操纵多个原子团同时完成干涉。交替进行竖直和水平方向的测量可以得出重力梯度张量的全部五个独立分量，即本发明可以测量出重力梯度张量的全部信息。

综上所述，本原子干涉重力梯度张量全分量测量系统能够测量重力梯度张量的全部五个独立分量，能够提供更多的重力场信息，对重力场勘测相关的领域都具有重要意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。