一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置及方法与流程

本发明涉及冷原子干涉技术领域，更具体的涉及一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，还涉及一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法。

背景技术：

重力梯度作为重力势随空间位置变化的二阶导数，具有比重力场更高的空间分辨率。在实现对重力梯度场的5个独立分量进行测量以后，结合一系列的算法可以反演得到地球内部的质量分布，从而可以应用于重力勘探以及地下目标搜寻等一系列重要领域。

冷原子重力梯度仪利用激光与原子的相互作用，以激光的波长作为长度测量基准，结合原子钟提供的精确时间基准，它的操作对象是原子，因此有可能避开某些未知的系统误差，再者利用原子作为操作对象，使得梯度仪本身没有明显的机械磨损，可提供较高采样的长期测量。

利用拉曼激光实现对原子的相干操控是冷原子干涉仪中一项非常重要的关键技术，当拉曼激光在空间指向不同时，所测量的物理量也不一样。当前研究比较多的是利用垂直拉曼激光构型(拉曼激光沿着重力加速度的方向进行传播)和水平拉曼激光构型(拉曼激光沿着水平方向或者与水平方向成小角度的方向进行传播)的原子干涉仪来做精密测量研究。

冷原子水平重力梯度仪就是利用水平拉曼激光构型来实现水平重力梯度测量，利用拉曼激光与原子的运动轨迹不重合这一特点，通过巧妙的设计干涉构型可以实现原子团的交错干涉，法国巴黎天文台的a.landragin等人利用交错构型的4脉冲原子干涉仪实现了转动的精密测量(d.savoie,m.altorio,b.fang,l.a.sidorenkov,r.geiger,a.landragin，interleavedatominterferometryforhigh-sensitivityinertialmeasurements,scienceadvances,2018)，其测量精度已经可以和现有最好的光纤陀螺仪的测量指标想媲美。但是在水平重力梯度测量过程中，需要利用3脉冲的拉曼激光来实现对原子的相干操控，因此，本发明针对水平重力梯度的测量需要，提出了一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法，可以进一步降低冷原子水平重力梯度的测量噪声。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，还提供一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，包括冷原子干涉结构单元，冷原子干涉结构单元包括第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元，

第一冷原子干涉结构单元内沿第一原子团运动轨迹的上升轨迹依次设置第一原子冷却区域、第一原子态制备区域、第一原子干涉区域，第一冷原子干涉结构单元内在第一原子团运动轨迹105的下降轨迹设置有第一原子探测区域，第一原子探测区域位于第一原子干涉区域下方，第一原子冷却区域内设置有第一碱金属源，

第二冷原子干涉结构单元内沿第二原子团运动轨迹的上升轨迹依次设置第二原子冷却区域、第二原子态制备区域、第二原子干涉区域，第二冷原子干涉结构单元内在第二原子团运动轨迹的下降轨迹设置有第二原子探测区域，第二原子探测区域位于第二原子干涉区域下方，第二原子冷却区域内设置有第二碱金属源，

第一冷却激光和第二冷却激光构成的冷却激光同时入射第一原子冷却区域和第二原子冷却区域，

第一态制备激光和第二态制备激光构成的态制备激光同时入射第一原子态制备区域和第二原子态制备区域，

第一π拉曼激光和第二π拉曼激光构成的π拉曼激光同时作用于第一原子干涉区域和第二原子干涉区域的顶部，

第一π/2拉曼激光和第二π/2拉曼激光构成的π/2拉曼激光同时作用于第一原子干涉区域和第二原子干涉区域的底部，

第一探测光和第二探测光构成的探测激光同时入射第一原子探测区域和第二原子探测区域，

第一光电探测器和第二光电探测器分别对准第一原子探测区域和第二原子探测区域。

一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、当第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元内的同步的原子团分别运动至第一探测区域和第二探测区域时，同时打开第一探测激光和第二探测激光，第一光电探测器和第二光电探测器分别收集第一探测区域和第二探测区域的荧光信号；

在第一冷原子干涉结构单元内，当第n-4团原子向下运动至π/2拉曼激光作用区域时，第n-3团原子刚好向上运动至π拉曼激光作用区域，第n-2团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光作用区域，π/2拉曼激光、π拉曼激光同时打开，π/2拉曼激光同时作用第n-4团原子和第n-2团原子，π拉曼激光作用第n-3团原子，与此同时，第n-1团原子刚好到达第一态制备区域并完成了态制备过程，第n团原子刚好完成了原子囚禁过程，

在第二冷原子干涉结构单元内，当第n-4团原子向下运动至π/2拉曼激光作用区域时，第n-3团原子刚好向上运动至π拉曼激光作用区域，第n-2团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光作用区域，π/2拉曼激光、π拉曼激光同时打开，π/2拉曼激光同时作用第n-4团原子和第n-2团原子，π拉曼激光作用第n-3团原子，与此同时，第n-1团原子刚好到达第二态制备区域并完成了态制备过程，第n团原子刚好完成了原子囚禁过程，

第二冷原子干涉结构单元200内的各团原子与第一冷原子干涉结构单元100内的各团原子完全同步进行原子囚禁、原子上抛、态制备、第一次π/2拉曼激光干涉、π拉曼激光干涉、第二次π/2拉曼激光干涉和荧光信号探测，

第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元内，相邻的两团原子之间的时间间隔始终等于自由演化时间t；

步骤2、过第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200所探测到的荧光信号结合椭圆拟合的方法求得第n团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后拉曼激光引入的总的相位差与水平重力梯度引入的相位差之和其中，δψi为第i次原子上抛，第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元之间总的相位差；

步骤3、根据以下公式计算水平重力梯度γ：

其中，keff为拉曼激光的有效波矢，l为第一原子干涉区域和第二原子干涉区域之间的水平间距。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

对于传统的水平重力梯度测量方法，各个原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后，拉曼激光引入的总的相位差δφ1、δφ2、δφ3......之间完全相互独立，重力梯度测量作为一种差分测量，对拉曼激光的噪声虽然有一个较高的共模抑制比，但是还是无法对其完全共模。本发明通过巧妙的设计，采用交错的干涉构型，使相邻的两团原子之间的时间间隔等于自由演化时间t，将原本独立的δφ1、δφ2、δφ3......关联起来，δφ1+δφ2+δφ3+......δφn在求和过程中，大部分的交叉项(例如......)被完全抵消，因此通过采用这种交错干涉构型，可以进一步降低测量过程中由拉曼激光引入的噪声。

附图说明

图1为实验过程的时间顺序图；

图2为交错干涉过程的示意图；

图3为基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置的结构示意图；

a1-第一原子冷却区域；

a2-第二原子冷却区域；

b1-第一原子态制备区域；

b2-第二原子态制备区域；

c1-第一原子干涉区域；

c2-第二原子干涉区域；

d1-第一原子探测区域；

d2-第二原子探测区域；

100-第一冷原子干涉结构单元；

200-第二冷原子干涉结构单元；

101-第一π/2拉曼激光

201-第二π/2拉曼激光；

102-第一π拉曼激光；

202–第二π拉曼激光；

103–第一探测激光；

203–第二探测激光；

104-第一光电探测器；

204-第二光电探测器；

105-第一原子团运动轨迹；

205-第二原子团运动轨迹；

106-第一态制备激光；

206–第二态制备激光；

107-第一冷却激光(共有3对，两对位于yz平面，一对沿x轴(未标出))；

207-第二冷却激光(共有3对，两对位于yz平面，一对沿x轴(未标出))；

108-第一磁光阱囚禁的冷原子团；

208-第二磁光阱囚禁的冷原子团；

109-第一碱金属源；

209-第二碱金属源。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，包括两个构型相同的沿水平方向排列的冷原子干涉结构单元，分别为第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200。

第一冷原子干涉结构单元100内沿第一原子团运动轨迹105的上升轨迹依次设置第一原子冷却区域a1、第一原子态制备区域b1、第一原子干涉区域c1，第一冷原子干涉结构单元100内在第一原子团运动轨迹105的下降轨迹设置有第一原子探测区域d1，第一原子探测区域d1位于第一原子干涉区域c1下方，第一原子冷却区域a1内设置有第一碱金属源109；

第二冷原子干涉结构单元200内沿第二原子团运动轨迹205的上升轨迹依次设置第二原子冷却区域a2、第二原子态制备区域b2、第二原子干涉区域c2，第二冷原子干涉结构单元200内在第二原子团运动轨迹205的下降轨迹设置有第二原子探测区域d2，第二原子探测区域d2位于第二原子干涉区域c2下方，第二原子冷却区域a2内设置有第二碱金属源209。

第一冷却激光107和第二冷却激光207构成的冷却激光同时入射第一原子冷却区域a1和第二原子冷却区域a2，

第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200共用第一态制备激光106和第二态制备激光206构成的态制备激光，态制备激光同时入射第一原子态制备区域b1和第二原子态制备区域b2。

第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200共用第一π拉曼激光102和第二π拉曼激光202构成的π拉曼激光，且π拉曼激光作用于第一原子团运动轨迹105和第二原子团运动轨迹205的顶部，即π拉曼激光同时作用于第一原子干涉区域c1和第二原子干涉区域c2的顶部。

第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200共用第一π/2拉曼激光101和第二π/2拉曼激光201构成的π/2拉曼激光，且π/2拉曼激光作用于第一原子干涉区域c1和第二原子干涉区域c2的底部。

第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200共用第一探测光103和第二探测光203构成的探测激光，探测激光同时入射第一原子探测区域d1和第二原子探测区域d2。

第一光电探测器104和第二光电探测器204分别对准第一原子探测区域d1和第二原子探测区域d2。

实验开始，加热第一碱金属源109使其分别扩散到第一冷原子干涉结构单元100的第一原子冷却区域a1，打开第一冷却激光107，完成第一冷原子干涉结构单元100内的第1团原子的冷却，然后改变第一冷却激光107的频率实现原子上抛，当第一冷原子干涉结构单元100内的第1原子团进入第一态制备区域b1时，打开态制备激光(106、206)完成态制备过程；

当第一冷原子干涉结构单元100内的第1团原子向上运动至π/2拉曼激光作用区域时，打开π/2拉曼激光(101、201)，与此同时，第一冷原子干涉结构单元100内的第2团原子刚好到达第一态制备区域b1并完成了态制备过程，第一冷原子干涉结构单元100内的第3团原子刚好完成了原子囚禁过程；第一冷原子干涉结构单元100内的第1团原子继续向上运动至π拉曼激光作用区域，此时第一冷原子干涉结构单元100内的第2团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光作用区域，π/2拉曼激光(101、201)和π拉曼激光(102、202)同时打开，分别作用第一冷原子干涉结构单元100内的第2团原子和第1团原子，与此同时，第一冷原子干涉结构单元100内的第3团原子刚好到达第一态制备区域b1并完成了态制备过程，第一冷原子干涉结构单元100内的第4团原子刚好完成了原子囚禁过程；第一冷原子干涉结构单元100内的第1团原子继续向下运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域，此时第一冷原子干涉结构单元100内的第2团原子刚好向上运动至π拉曼激光(102、202)作用区域，第一冷原子干涉结构单元100内的第3团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域，π/2拉曼激光(102、202)和π拉曼激光(102、202)同时打开，π/2拉曼激光(101、201)同时作用第1团原子和第3团原子，π拉曼激光(102、202)作用第2团原子，与此同时，第4团原子刚好到达第一态制备区域b1并完成了态制备过程，第5团原子刚好完成了原子囚禁过程。

依此类推，在第一冷原子干涉结构单元100内，当第n-4团原子向下运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域时，第n-3团原子刚好向上运动至π拉曼激光(102、202)作用区域，第n-2团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域，π/2拉曼激光(101、201)、π拉曼激光(102、202)同时打开，π/2拉曼激光(101、201)同时作用第n-4团原子和第n-2团原子，π拉曼激光(102、202)作用第n-3团原子，与此同时，第n-1团原子刚好到达第一态制备区域b1并完成了态制备过程，第n团原子刚好完成了原子囚禁过程。

第二冷原子干涉结构单元200与第一冷原子干涉结构单元100结构相同，且第二冷原子干涉结构单元200内的各团原子与第一冷原子干涉结构单元100内的各团原子完全同步进行原子囚禁、原子上抛、态制备、第一次π/2拉曼激光干涉、π拉曼激光干涉、第二次π/2拉曼激光干涉和荧光信号探测，即第一冷原子干涉结构单元100内的第1团原子与第二冷原子干涉结构单元200内的第1团原子同步；第一冷原子干涉结构单元100内的第2团原子与第二冷原子干涉结构单元200内的第2团原子同步……第一冷原子干涉结构单元100内的第n团原子与第二冷原子干涉结构单元200内的第n团原子同步。

在第二冷原子干涉结构单元200内，当第n-4团原子向下运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域时，第n-3团原子刚好向上运动至π拉曼激光(102、202)作用区域，第n-2团原子刚好向上运动至π/2拉曼激光(101、201)作用区域，π/2拉曼激光(101、201)、π拉曼激光(102、202)同时打开，π/2拉曼激光(101、201)同时作用第n-4团原子和第n-2团原子，π拉曼激光(102、202)作用第n-3团原子，与此同时，第n-1团原子刚好到达第二态制备区域b2并完成了态制备过程，第n团原子刚好完成了原子囚禁过程。

这样，相邻的两团原子之间的时间间隔始终等于自由演化时间t。

当第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200内的同步的原子团分别运动至第一探测区域d1和第二探测区域d2时，同时打开第一探测激光103和第二探测激光203，第一光电探测器104和第二光电探测器204分别收集第一探测区域d1和第二探测区域d2的荧光信号；

假设用i来标记上抛次数，第i次上抛对应第i团原子，第i团原子在完成π/2～π～π/2干涉以后，由拉曼激光引入的相位差可以表示如下：

用来表示t时刻的拉曼激光作用以后，由拉曼激光引入的差分相位，

定义第1团原子首次与π/2拉曼激光脉冲作用的时刻为t＝0时刻。用来表示t时刻的拉曼激光脉冲作用以后，由拉曼激光引入的差分相位(与激光的波长和两个干涉仪之间的间距有关)，即分别用来表示0～nt时刻的拉曼激光脉冲作用以后，由拉曼激光引入的差分相位，δφ1～δφn分别表示第1团原子～第n团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后，拉曼激光引入的总的相位差。

经过n次上抛以后：

在考虑重力场的环境下，对于第i次上抛，第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200之间总的相位差δψi等于第i团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后拉曼激光引入的总的相位差与水平重力梯度(γ)引入的相位差之和：

i＝1δψ1＝δφ1+keff·γ·l·t²

i＝2δψ2＝δφ2+keff·γ·l·t²

i＝3δψ3＝δφ3+keff·γ·l·t²

i＝4δψ4＝δφ4+keff·γ·l·t²

......

i＝n-1δψn-1＝δφn-1+keff·γ·l·t²

i＝nδψn＝δφn+keff·γ·l·t²

其中l为第一原子干涉区域c1和第二原子干涉区域c2之间的水平间距，keff表示拉曼激光的有效波矢(可以根据激光的波长求得，π拉曼激光还是π/2拉曼激光的有效波矢相同)。

在经过n次上抛以后，第n团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后拉曼激光引入的总的相位差与水平重力梯度引入的相位差之和可以通过第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200所探测到的荧光信号结合椭圆拟合的方法求得：

当第n团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后，拉曼激光引入的总的相位差越小时，对水平重力梯度(γ)的测量精度越高。

因此，上式可以简化为：

对于传统的水平重力梯度测量方法，δφ1、δφ2、δφ3......之间完全相互独立，本发明采用的交错干涉构型，将原本独立的δφ1、δφ2、δφ3......关联起来，δφ1+δφ2+δφ3+......δφn在求和过程中，大部分的交叉项(例如......)被完全抵消，因此通过这种交错构型，可以进一步降低测量过程中由拉曼激光引入的噪声，从而提高水平重力梯度(γ)的测量精度。

第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200之间是通过π/2拉曼激光(101、201)和π拉曼激光(102、202)联系起来的，所以上述公式是拉曼激光同时作用第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200以后得到的计算公式，也就是差分相位(不是对某一个冷原子干涉结构单元而言的)

态制备激光是由第一态制备激光106和第二态制备激光206组成一对态制备激光，然后同时作用第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200的态制备区域(b1、b2)，对于第一探测激光103和第二探测激光203组成的探测激光同时作用于第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200的探测区域(d1、d2)，第一π/2拉曼激光101和第二π/2拉曼激光201组成的π/2拉曼激光同时作用于第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200的原子干涉区域(c1、c2)的底部，第一π拉曼激光102和第二π拉曼激光202组成的π拉曼激光同时作用于第一冷原子干涉结构单元100和第二冷原子干涉结构单元200的原子干涉区域(c1、c2)的顶部。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。