基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪及其实现方法

本发明属于重力加速度精密测量领域，具体涉及一种基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪及其实现方法。

背景技术：

1、重力是地球表面物体的万有引力和地球自转所带来的惯性离心力的合力，方向竖直向下。重力对人类生产、生活的影响无处不在，在日常生活中，人们通常使用9.8m/s2作为重力加速度的近似值使用。实际上，重力加速度不是一个一成不变的物理量，它会随着时间、空间和外界环境等的变化而不断变化。正是由于各种各样的因素都会对重力产生影响，高精度的重力加速度测量就具有非常广泛的应用。在基础物理研究领域，高精度的重力测量不仅可以验证暗物质、引力波和等效性原理，还可以对质量、压力、扭矩、硬度等物理量进行计量溯源。在地质探勘应用方面，高精度的重力测量既可以对煤炭、石油、钢铁等矿产资源进行勘探，又能针对火山、地震、海啸等自然灾害提供预警信息。在国防安全领域，高精度的重力测量能够对弹道导弹的轨迹实现修正、重力辅助惯性导航以及空中和水中的隐身单位进行探测。

2、然而当前的原子干涉重力仪，由于干涉仪实验原理的限制，想要实现对重力加速度的高精度测量，就需要原子在重力场中长时间的自由演化。这导致设备体积较大，便携性较差，无法广泛应用于生产生活中。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪及其实现方法，针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪，在保持高精度的重力加速度测量下，减小实验系统体积，提高系统实用性。

2、本发明的一个目的在于提出一种基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪。

3、本发明的基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪包括：第一和第二拉曼光、冷却光、第一和第二布洛赫光、探测光、回泵光、真空腔、第一和第二半波片、第一和第二偏振分光棱镜、第一和第二反射镜以及成像系统；其中，真空腔包括彼此互相连通的科学腔和探测腔，科学腔和探测腔的中心轴均位于重力方向，在科学腔的顶端和探测腔的底端分别开设有干涉窗口，干涉窗口位于中心轴上，在科学腔的侧壁上还开设有偶数个冷却窗口，在探测腔的侧壁上开设有相对的左探测窗口和右探测窗口，在探测腔的侧壁上还开设有荧光探测窗口；

4、真空腔的科学腔内设置有碱金属原子；第一与第二拉曼光的偏振态互相垂直，第一与第二拉曼光的频率不同且具有设定的频率差，具有设定的频率差的第一拉曼光经顶端的干涉窗口进入至科学腔内，第二拉曼光经底端的干涉窗口进入至科学腔内，沿重力方向由上而下传播的第一拉曼光和由下而上传播的第二拉曼光在科学腔内与碱金属原子相互作用发生干涉；同时，偶数束冷却光分别从相应的冷却窗口进入至科学腔，冷却并囚禁真空中的碱金属原子；同时，第一布洛赫光经顶端的干涉窗口沿重力方向由上至下进入至科学腔内，第二布洛赫光的偏振态与第一布洛赫光一致，经底端的干涉窗口沿重力方向由下至上经探测腔进入至科学腔内，第一和第二布洛赫光在科学腔内构成移动光晶格，向碱金属原子转移大量动量，使碱金属原子速度反向，继续向上移动并进行自由演化，缩短干涉区间，使得发生干涉的碱金属原子长时间维持在科学腔中，提升性能；发生完整干涉的碱金属原子在重力的作用下下落至探测腔；

5、探测光经过第一半波片和第一偏振分光棱镜分成两束，分别为水平偏振和垂直偏振，水平偏振的探测光透过第一偏振分光棱镜，垂直偏振的探测光经过第一偏振分光棱镜反射至第二偏振分光棱镜，第一半波片和第一偏振分光棱镜调整水平偏振和垂直偏振的探测光的功率分束比；水平偏振的探测光经过第一小型光挡，变成片状光，从左探测窗口进入至探测腔，并从右探测窗口出射，经第一反射镜反射，返回探测腔内，从而双束光共同作用提高探测效率，在第一反射镜上设置第三小型光挡，第三小型光挡的遮挡部位与第一小型光挡呈中心对称；回泵光经过第二半波片和第二偏振分光棱镜，通过第二半波片和第二偏振分光棱镜调整透过第二偏振分光棱镜的回泵光的强度，垂直偏振的探测光与回泵光经第二偏振分光棱镜合束，经第二小型光挡调整成片状光，从左探测窗口进入至探测腔，并从右探测窗口出射，合束的垂直偏振的探测光和回泵光经第二反射镜反射，返回探测腔；水平偏振的探测光与合束的垂直偏振的探测光和回泵光互相平行并均沿水平方向，且沿重力方向高度不同；发生完整干涉的碱金属具有两个不同成分的原子内态；具有不同原子内态的碱金属原子沿重力方向向下，先经过水平偏振的探测光，探测光的频率与第一原子内态的频率共振，水平偏振的探测光与具有第一原子内态的碱金属原子相互作用发出荧光，并清除具有第一原子内态的碱金属原子；荧光从荧光探测窗口出射探测腔，由成像系统接收，得到具有第一原子内态的碱金属原子的原子数；仅具有第二原子内态的碱金属原子继续下落，经过垂直偏振的探测光和回泵光，回泵光将第二原子内态的碱金属原子抽运到第一原子内态的碱金属原子，与探测光相互作用发出荧光，荧光从荧光窗口出射探测腔，由成像系统接收，得到具有第二原子内态的碱金属原子的原子数，得到一组在设定的频率差下的第一和第二原子内态的原子数；改变第一与第二拉曼光的设定的频率差，依次得到多组不同频率差下的第一和第二原子内态的原子数，原子内态的原子数的变化形成原子数比例的干涉条纹，干涉条纹包括相位信息，通过相位信息得到重力精度。

6、放置在真空腔内的碱金属原子采用铷、钾和铯中的一种。

7、偶数束冷却光两两对射，且除相互对射的两束光外彼此之间均正交。

8、还包括第三半波片、第三分光棱镜以及第三反射镜；具有设定的频率差的第一和第二拉曼光经顶端的干涉窗口进入至科学腔内；第一和第二拉曼光继续沿重力方向传输出探测腔，经第三半波片至第三偏振分光棱镜，第一拉曼光经第三偏振分光棱镜反射出真空腔，第二拉曼光经第三偏振分光棱镜透射至第三反射镜反射，经底端的干涉窗口返回科学腔内。

9、还包括第四半波片，第二布洛赫光经第四半波片和第三偏振分光棱镜调整光强，第二布洛赫光经第三偏振分光棱镜反射，经过第三半波片调整偏振态与第一布洛赫光一致，经底端的干涉窗口沿重力方向由下至上经探测腔进入至科学腔内。

10、进一步还包括清除光，清除光经顶端的干涉窗口进入至科学腔内，清除光去掉干涉中不需要的成分。

11、成像系统采用光电探测器。

12、还包括声光调制器，第一和第二拉曼光、冷却光、第一和第二布洛赫光、探测光以及回泵光分别设置相应的声光调制器，调制对应的功率和频率。

13、本发明还包括振动补偿系统，振动补偿系统采用被动隔振平台；振动补偿系统提高了设备的测量精度和稳定性，主要包括被动隔振平台和微震仪。第三半波片、第三偏振分光棱镜、第四半波片和第三反射镜搭载在被动隔振平台上，过滤掉绝大多数的1hz以上的高频噪声。除此以外，通过微震仪测量重力仪同一时间地点的振动信号，经过振动相移公式计算之后，补偿到最终的干涉仪相位之中，极大地减小了振动噪声对测量精度产生的影响。

14、探测光的水平偏振和竖直偏振的偏振比为1：200～400。

15、第一和第二拉曼光、冷却光、第一和第二布洛赫光、探测光以及回泵光的光路上分别设置相应的光学快门。进一步，还包括：控制板卡、数据采集板卡和计算机；控制板卡连接至各个激光器、信号发生器、声光调制器和光学快门，控制板卡负责输出小型原子干涉重力仪的控制时序，保证整个系统有效可控运行；光电探测器连接至数据采集板卡，数据采集板卡连接至计算机中，控制板卡也连接至计算机，光电探测器采集荧光信号，变成电信号后传输至数据采集板卡，在传输至计算机，由计算机对测量结果进行数据分析和记录。

16、本发明通过第一和第二布洛赫光形成移动光晶格，碱金属原子装载光晶格时对布洛赫光的频率进行重力扫频，保证装载过程碱金属原子与光晶格保持相对静止。在自由演化过程中，移动光晶格向碱金属原子团转移大量动量，使其在较小的空间内能够进行长时间的自由演化，提高了原子干涉重力仪的极限性能。通过系统优化，移动光晶格系统成功将原子干涉仪的干涉长度限制到3cm以内。

17、本发明的另一个目的在于提出一种基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪的实现方法。

18、本发明的基于移动光晶格的小型原子干涉重力仪的实现方法，包括以下步骤：

19、1)真空腔的科学腔内设置有碱金属原子；

20、2)第一与第二拉曼光的偏振态互相垂直，第一与第二拉曼光的频率不同且具有设定的频率差，第一拉曼光经顶端的干涉窗口进入至科学腔内，第二拉曼光经经底端的干涉窗口进入至科学腔内，沿重力方向由上而下传播的第一拉曼光与由下而上传播的第二拉曼光在科学腔内与碱金属原子相互作用发生干涉；

21、偶数束冷却光分别从相应的冷却窗口进入至真空腔的科学腔，冷却并囚禁真空中的碱金属原子；

22、第一布洛赫光经顶端的干涉窗口沿重力方向由上至下进入至科学腔内，第二布洛赫光的偏振态与第一布洛赫光一致，经底端的干涉窗口沿重力方向由下至上经探测腔进入至科学腔内，第一和第二布洛赫光在科学腔内构成移动光晶格，向碱金属原子转移大量动量，使碱金属原子速度反向，继续向上移动并进行自由演化，缩短干涉区间，使得发生干涉的碱金属原子长时间维持在科学腔中，提升性能；发生完整干涉的碱金属原子在重力的作用下下落至探测腔；

23、3)探测光经过第一半波片和第一偏振分光棱镜分成两束，分别为水平偏振和垂直偏振，水平偏振的探测光透过第一偏振分光棱镜，垂直偏振的探测光经过第一偏振分光棱镜反射至第二偏振分光棱镜，第一半波片和第一偏振分光棱镜调整水平偏振和垂直偏振的探测光的功率分束比；水平偏振的探测光经过第一小型光挡，变成片状光，从左探测窗口进入至探测腔，并从右探测窗口出射，经第一反射镜反射，返回探测腔内，从而双束光共同作用提高探测效率，在第一反射镜上设置第三小型光挡，第三小型光挡的遮挡部位与第一小型光挡呈中心对称；

24、4)回泵光经过第二半波片和第二偏振分光棱镜，通过第二半波片和第二偏振分光棱镜调整透过第二偏振分光棱镜的回泵光的强度，垂直偏振的探测光与回泵光经第二偏振分光棱镜合束，经第二小型光挡调整成片状光，从左探测窗口进入至探测腔，并从右探测窗口出射，合束的垂直偏振的探测光和回泵光经第二反射镜反射，返回探测腔；水平偏振的探测光与合束的垂直偏振的探测光和回泵光互相平行并均沿水平方向，且沿重力方向高度不同；发生完整干涉的碱金属具有两个不同成分的原子内态；

25、具有不同原子内态的碱金属原子沿重力方向向下，先经过水平偏振的探测光，探测光的频率与第一原子内态的频率共振，水平偏振的探测光与具有第一原子内态的碱金属原子相互作用发出荧光，并清除具有第一原子内态的碱金属原子；荧光从荧光探测窗口出射探测腔，由成像系统接收，得到具有第一原子内态的碱金属原子的原子数；

26、仅具有第二原子内态的碱金属原子继续下落，经过垂直偏振的探测光和回泵光，回泵光将第二原子内态的碱金属原子抽运到第一原子内态的碱金属原子，与探测光相互作用发出荧光；

27、5)荧光从荧光窗口出射探测腔，由成像系统接收，得到具有第二原子内态的碱金属原子的原子数，得到一组在设定的频率差下的第一和第二原子内态的原子数；

28、6)改变第一与第二拉曼光的设定的频率差，重复步骤2)～5)多次，依次得到多组不同频率差下的第一和第二原子内态的原子数；

29、7)原子内态的原子数的变化形成原子数比例的干涉条纹，干涉条纹包括相位信息，通过相位信息得到重力精度。

30、本发明的优点：

31、本发明采用第一和第二拉曼光在科学腔内与碱金属原子相互作用发生干涉，同时第一和第二布洛赫光形成移动光晶格；移动光晶格向进行干涉的碱金属原子向上转移大量动量，在保证相对较长的干涉时间的情况下，即在保持高精度的重力测量下，能够将设备的原子干涉仪的物理体积压缩到3厘米内，大大提高了系统的可移动性和便捷性。