一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的方法及装置

本发明属于精密测量物理领域。具体涉及一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的方法，还涉及一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的装置。

背景技术：

1、近年来，随着激光操控原子技术的发展，原子干涉仪被大量运用于基础物理研究领域和惯性物理量测量等应用领域。在惯性物理量测量中，重力测量是目前原子干涉仪应用最为广泛，也最成熟的方向。自1992年用原子干涉仪测得重力加速度以来，原子重力仪的各项技术均取得了长足进步：一方面，在指标上，其测量灵敏度优于传统的激光干涉重力仪；另一方面，其已经被应用于导航、矿产勘探、土木工程、空间应用、地球物理、计量等领域(kai bongs等人，nature reviews physics，第1卷，第731-739页，2019年)。

2、当前用于重力测量的原子干涉仪主要采用单个光电探测器进行探测，在这种探测构型中，为了获得重力值，往往需要通过扫描多个数据测量点，来获得原子干涉仪的相位，然后通过分析得到的相移给出重力加速度的变化。上述测量方法很好满足了在非常安静的环境中进行的重力测量。然而，当被测重力加速度随时间和空间快速变化时，单次测量就可提取出重力绝对值或变化值的实时测量就变得非常重要。与此同时，快速的变化往往也会导致测量对比度受到影响，从而降低实验测量的精度。

3、a.sugarbaker(physical review letters，第111卷，第113002页，2013年)等人发展起来的剪切相移读取方法是近年来用于原子干涉仪实时测量的一种新方法。由于其采用空间高分辨率剪切干涉条纹提取相位，大大降低了原子数量波动和对比度变化对相位的影响，为高精度实时测量原子干涉仪奠定了基础。在上述基础上，p.asenbaum(physicalreview letters，第123卷，第1911019页，2020年)等人将该方案已用于同步测量重力和转动效应的长基线原子干涉仪，以及等效原理检验中。d.yankelev(science advance，第6卷，eabd0650页，2020年)等人结合莫尔效应效应，利用该方案的实时测量特性，在不损失灵敏度的情况下，将重力测量的动态范围扩展了三个数量级。原子剪切干涉仪的技术还被g.w.hoth(applied physical letters，第109卷，第071113页，2016年)等人用于转动测量，而y.-j.chen(physical review applied，第12卷，第014019页，2019年)等人也将之用于多轴陀螺仪。

4、整体而言，由于剪切干涉条纹的相位与空间位置相关，且目前尚未有提取绝对相移(即引入剪切相移前的初始相移)的方法，因此，在现有的原子剪切干涉仪研究中，通常选择原子云的高斯中心作为相位提取的参考点，这个点的相位实际上并不对应原子干涉仪的初始相移。正是由于这一现状，当前的原子剪切干涉仪主要用于重力差分测量或重力随时间变化的测量，难以推广到绝对重力测量等领域。

技术实现思路

1、本发明主要针对现有原子剪切干涉仪不能进行重力绝对测量这一问题，本发明提出一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的方法，同时提出一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的装置。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

3、一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的装置，包括真空系统，真空系统内的底部区域为抛射区，冷原子团初始位置位于抛射区，真空系统下部的侧壁设置有探测区，在真空系统外且与探测区对应的位置依次设置有荧光收集系统和成像ccd；真空系统抛射区外侧设置有三对两两相互垂直的冷却激光，真空系统顶部的上方设置有探测激光、第一拉曼激光和第二拉曼激光，真空系统底部的下方设置有一个反射镜，探测激光、第一拉曼激光和第二拉曼激光垂直向下从真空系统顶部入射至真空系统内，然后均从真空系统底部出射真空系统外，再由真空系统底部下方的反射镜向上反射至真空系统内；反射镜下方设置有倾角偏转系统，倾角偏转系统控制反射镜的倾角从而改变反射的第二拉曼激光的方向，倾角为反射镜与水平面的偏角。

4、一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的方法，利用如上所述一种提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的装置，包括如下步骤：

5、步骤1、构建底部反射镜的倾角集合{θ1，θ2，θ3，…，θn}，倾角集合中的倾角θ∈{θ1，θ2，θ3，…，θn}不为0，初始倾角θ为0，将反射镜的倾角设置为初始倾角；

6、步骤2、将真空系统内的冷原子团上抛；

7、步骤3：依据第一拉曼激光和第二拉曼激光形成的π/2-π-π/2三脉冲对冷原子团实现马赫-曾德尔原子干涉，其中在进行π拉曼脉冲和第二个π/2拉曼脉冲的中间时刻，从倾角集合中选择其中一个倾角，通过倾角偏转系统对反射镜实现选定的倾角θ的转动，使得反射的第二拉曼激光方向改变2θ；

8、步骤4：在探测激光的作用下，成像ccd探测到落入探测区的冷原子团，获得原子剪切干涉条纹图像；

9、步骤5：根据步骤4得到的原子剪切干涉条纹图像，得到在倾角θ下的多组原子剪切干涉仪相位φ与原子水平位置x的数据对，然后利用倾角θ下原子剪切干涉仪相位φ与原子水平位置x的数据对进行线性拟合获得倾角θ下的φ-x关系曲线；

10、之后将反射镜旋转回初始倾角，并返回至步骤2，直至遍历完倾角集合中所有的倾角，进行步骤6；

11、步骤6、将倾角θ在不同取值下的φ-x关系曲线整合在同一φ-x坐标图中，获取不同倾角θ对应的φ-x关系曲线的交点，交点对应的原子剪切干涉仪相位φ数值即为重力加速度引入的相移φg；然后根据φg求得重力加速度g的数值。

12、如上所述步骤2中，通过改变三对冷却激光的频率完成冷原子团的上抛，冷原子团上抛后回落到探测区。

13、如上所述步骤3中实现π/2-π-π/2三脉冲实现马赫-曾德尔原子干涉的具体过程为：

14、原子在t1时刻被第一个π/2拉曼脉冲作用，实现原子的分束；经过脉冲间隔时间t时间后，在t2时刻被一个π拉曼脉冲作用，在真空系统的顶部实现两条路径原子的反射；再经过脉冲间隔时间t时间后，在t3时刻被第二个π/2拉曼脉冲作用，实现原子路径的合束，从而实现冷原子团的马赫-曾德尔干涉；其中，第一拉曼激光和第二拉曼激光形成π/2拉曼脉冲或者π拉曼脉冲，可实现原子在下基态|201>和上基态|202>的双光子拉曼跃迁；原子在π拉曼脉冲作用时刻t2和第二个π/2拉曼脉冲作用时刻t3之间，从倾角集合中选择其中一个倾角，通过倾角偏转系统对反射镜实现选定的倾角θ的转动，使第二个π/2拉曼脉冲中的第二拉曼激光偏转2θ。

15、如上所述步骤6中，在获得重力加速度引入的相移φg后，根据φg＝keffgt2计算得到重力加速度g数值，其中keff是拉曼激光有效波矢，t为脉冲间隔时间。

16、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

17、在传统的π/2-π-π/2三脉冲马赫曾德尔原子干涉仪最后一个拉曼脉冲作用之前，调节反射镜，使得拉曼激光波矢方向与原子速度方向有一额外偏角(前面两个拉曼脉冲波矢方向不变，且均与原子速度方向平行)。通过上述过程，可在原子干涉仪中引入一水平剪切相移，从而使得原子物质波相位受到空间调制，进一步采用ccd成像探测可获得原子干涉仪的空间相位分布。上面的部分与传统原子剪切干涉仪相同。而本专利提取原子剪切干涉仪绝对重力相移的方法如下：每次测量采用不同的倾角进行测量，对比多次测量的原子剪切干涉条纹图像，可得到一个原子剪切干涉仪相位不随倾角变化点的位置，这一位置点对应转轴位置，同时该点的相移也对应原子干涉仪的绝对相移。通过提取该点的相移，就可以获得原子干涉仪测量的绝对相移。

18、使目前的原子剪切干涉仪能实现对原子干涉仪绝对相移的提取，从而使其应用领域从当前的相对测量，拓展到绝对测量领域。