一种利用原子干涉仪精确测量相距微小距离下两处磁场一致性的方法与流程

本发明涉及了原子精密测量技术领域，尤其涉及了一种利用原子干涉仪精确测量相距微小距离下两处磁场一致性的方法，可用于量子计算、量子模拟、量子精密测量等实验中关于原子囚禁场一致性的分析和量子系统退相干机制的研究。

背景技术：

原子囚禁势阱在量子计算、量子模拟、量子精密测量等领域有着广泛的应用，一方面，被囚禁的原子团体积可维持不变，而且不会由于重力的影响自由下落，从而降低了对于电磁波场的输出功率要求，还降低了仪器的体积；另一方面，光晶格等囚禁手段还可避免原子之间的相互作用，降低原子能级展宽，提高操控精度和实验结果的准确性。然而，在带来这些好处的同时，原子囚禁势阱的存在会引入退相干机制，使得原子快速的退相干。造成这种退相干的原因是由于处于囚禁势阱中不同位置处的原子感受到的囚禁势阱的作用不相同，即囚禁势阱在特定维度的均匀性和一致性不够。然而，这种囚禁势阱的一致性很难直接用现有的磁强计、光功率计等仪器进行测量，因为所关心的囚禁势阱一致性的两位置一般是处于微米甚至纳米量级的微观尺度，对仪器的空间分辨率要求非常高。

近年来，原子干涉仪因其超高的理论精度潜力以及广泛的应用前景，获得了全世界广泛的重视及研究，基于原子干涉仪精密测量技术发展迅速，广泛应用于物理参数精密测量、时间测量及频标等科学实验研究领域。利用原子干涉进行精密测量，不仅可实现在微观尺度下的精确测量，而且还可以将测量结果直接体现在原子的相干性上，方便直接对于结果进行解释和评估。因此，通过合理的操控原子干涉回路，将所需测量的一致性信息写入在原子干涉条纹的幅值或相位中，有望突破传统精密测量手段的限制，实现在微尺度下的高空间分辨率测量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是，提出了一种利用原子干涉仪精确测量相距微小距离下两处磁场一致性的方法

本发明的技术方案为：

一种利用原子干涉仪精确测量相距微小距离下两处磁场一致性的方法，构建一种外态原子干涉回路，通过测量磁场中相距微小距离的两个相干原子波包一致性的演化，来评估两处磁场的一致性，其中，所测量的微小距离尺度可达纳米量级。

所述的原子干涉仪，是一种基于原子外部动量相干态的干涉仪。原子外部动量相干态的操控手段为激光光栅衍射，且符合raman-nath衍射条件限制，原子干涉条纹的检测是基于布拉格背向散射的方法，背向散射的幅值信号与原子干涉条纹的幅值呈正比。

所述的外态干涉回路，是由三束衍射脉冲和一束信号读取脉冲构成。其中前两束衍射脉冲的作用为将初始的原子波包分为两个相干的原子波包，并固定距离；第三束衍射脉冲是将两个原子波包汇合，形成的原子干涉条纹由第四束脉冲读取。第一、二脉冲的间隔与第三、四脉冲的间隔相同，均远小于第二、三脉冲之间的间隔。

所述的两相干原子波包的距离，距离的方向和长短可根据需要任意设定，其中，方向与衍射脉冲的方向相同，长短为原子的反冲速度乘以第一、二脉冲的间隔。

所述的原子波包一致性的演化，两原子波包的动量相干性会受到原子波包所在处磁场的影响，这种影响可通过控制第二、三脉冲之间的时间间隔来累积。

所述的磁场一致性的评估，是通过原子干涉条纹的相对幅值的大小来实现的。幅值的参考值为在选取距离一定的情况下，第二、三脉冲间隔为0情况下原子干涉条纹的幅值。

本发明的原理为：

本发明通过第一束衍射脉冲来将一制备好的冷原子波包相干的分为多个动量级的叠加，分束的过程符合raman-nath衍射条件的限制，即脉冲的作用时间较短，在此过程中可以忽略原子的运动。对初始状态为单色波的原子波包来说，具体可用以下表达式来描述：

其中θ是脉冲作用面积，jn(x)是第n阶贝塞尔函数，n表征了动量能级。之后，由不同动量的原子波包自由演化，演化时间ts后，再次施加衍射脉冲，同样工作在raman-nath限制条件下，对所有不同动量级的原子波包进行第二次衍射，衍射后原子波包的表达式为：

其中，ni是第i次衍射的相关参数。在这之后，再由不同动量级的原子波包自由扩散时间t，并使得t>>ts，再次施加衍射脉冲对原子波包进行第三次衍射，同样工作在raman-nath限制条件下，衍射后原子波包可用以下表达式来描述：

在这之后，再经过ts，对形成的干涉条纹进行探测。此时，形成干涉条纹的两原子波包需满足条件：

n1ts+(n1+n2)t+(n1+n2+n3)ts＝0

|n1+n2+n3|＝1

其中，ni＝ni-n′i，n′i为另一原子波包经过第i次衍射后的动量的能级。由于t>>ts，所以可以解得：

n1＝-n3＝±1

n1+n2＝0

即两原子波包的在第二、三衍射脉冲之间保持距离d＝v×ts不变，而且两原子波包的动量是一致的。又由于t>>ts，可以忽略在分束、合束过程中外界磁场对于原子物质波的影响。因此，原子干涉条纹的幅度可表示为：

其中，v(r)是r处的磁场强度。即原子干涉条纹的幅值可表示为待测磁场中相距为d的两原子波包受磁场作用后的一致性，进而表征了两处磁场的一致性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以方便的进行高空间分辨率的磁场一致性的测量

本发明中，所测两处磁场的距离可以通过控制第一、二脉冲的时间间隔来实现。由于原子分束的速度是恒定的(7mm/s)，对时间的控制可以达到亚微秒量级，因此两处磁场的距离的控制精度可以达到纳米量级，可以方便、准确的实现微小尺度下磁场一致性的高分辨率测量。

(2)本发明可以对不同程度的磁场一致性进行针对性的测量

本发明中，可以通过调节第二、三脉冲之间的时间间隔来控制不同位置的磁场对原子波包的作用时间，进而控制两处磁场的一致性对原子相干性带来的影响程度，可实现对磁场一致性随时间积累的表征，即可以方便的“放大”(长时间积累)或“缩小”(短时间积累)测量磁场一致性的“量程”，可在保证检测信噪比的情况下，针对不同程度的磁场一致性进行适合的测量。

附图说明

图1是本发明原子干涉回路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。以下实施事例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1辅助说明本发明测试磁场一致性的方法。首先制备冷原子源，形成冷原子团或波色爱因斯坦凝聚态；对制备好的原子源施加第一驻波脉冲作用，该驻波脉冲为两束激光形成的驻波激光光栅，脉冲作用面积θ1为2；间隔ts后，再施加第二驻波脉冲，该驻波同为两束激光形成的驻波激光光栅，脉冲作用面积θ2约为2。再间隔t后，施加第三束衍射脉冲，作用面积θ3约为2，等待ts后，利用布拉格背向散射的方法对原子干涉条纹的幅值进行检测。

下面将以铯原子干涉仪为例，来对本发明的具体实施方式进行说明。首先采用磁光阱的方法从背景热原子中捕获、冷却铯原子；当磁光阱的数量到达约10⁹后，切断磁光阱线圈的电流，关闭冷却光和反抽运光，获得冷原子团。其中，冷却光的频率为|f＝4>→|f'＝5>，失谐-2γ(自然线宽，γ＝2π×5.234mhz)；反抽运光的频率为|f＝3>→|f'＝4>，失谐0。冷却光晚于反抽运光关闭4ms，使得冷原子团中的原子处于|f＝3>。沿与待测方向上相向对打两束激光，ea和eb，两束激光频率相同，均为|f＝3>→|f'＝4>，失谐+200mhz；横截面宽度为2mm(高斯半径)，两束激光在空间上是重合的，构成驻波脉冲，同时保证原子团处于激光横截面的中心。对制备好的铯冷原子源施加第一束驻波脉冲，脉冲作用面积θ1＝2；间隔ts后，再施加第二束驻波脉冲，控制第二束脉冲的作用面积θ2＝2，其中，d为待测两处磁场的距离大小。再间隔t后，施加第三束驻波脉冲，控制第二束脉冲的作用面积θ3＝2，等待ts后，原子光栅在空间中形成，在此过程中，保证t>>ts。原子光栅的检测采用布拉格背向散射的方法，在t+2ts前后各4μs的时间窗口里，打开ea，此时ea的功率衰减为之前的1/2，由于原子光栅的存在，ea会受到原子光栅的背向散射，散射光沿eb方向；于此同时，将eb打开，eb的频率偏移ea的频率4mhz，将其功率衰减为1μw。eb与背向散射光重合，汇聚到一个雪崩二极管(apd)上，形成干涉，由于apd带宽的限制，仅能探测到eb与信号光的差频信息，即4mhz的震荡信号。由于散射光的光强与原子光栅的幅值成正比，进而与原子光栅的反射系数呈正比，通过观察原子干涉条纹幅值随时间t的关系，可对所测磁场的一致性进行评估。