一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量方法及装置

本发明属于精密测量物理领域。具体涉及一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量方法，还涉及一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量装置。

背景技术：

1、近年来，随着激光操控原子技术的发展，原子干涉仪在基础物理研究和惯性物理量测量等领域得到了广泛应用。在惯性物理量测量中，原子干涉仪在重力测量方面表现尤为突出，成为目前应用最为广泛且最成熟的方向。自1992年首次使用原子干涉仪测量重力加速度以来，该技术在测量灵敏度和应用领域方面取得了长足进展。有关原子重力仪的各项技术进步已被广泛报道，包括在导航、矿产勘探、土木工程、空间应用、地球物理、计量等领域的成功应用(参见kai bongs等人在2019年发表在nature reviews physics上的综述，第1卷，第731-739页)。

2、目前，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。在这种探测构型下，为了获取重力值，通常需要通过扫描多个数据测量点，以获取原子干涉仪的相位。然后，通过分析获得的相移来得出重力加速度的变化。这种测量方法在非常安静的环境中进行重力测量时非常有效。然而，当被测重力加速度在时间和空间上快速变化时，实时提取重力绝对值或变化值的单次测量变得至关重要。与此同时，快速的变化往往会导致测量对比度的降低，从而影响实验测量的精度。

3、近年来，一种由a.sugarbaker等人(参见2013年在physical review letters上的文章，第111卷，第113002页)发展起来的剪切相移读取方法成为原子干涉仪实时测量的新兴方法。该方法利用空间高分辨率的剪切干涉条纹提取相位，显著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。在此基础上，p.asenbaum等人(参见2020年在physical review letters上的文章，第123卷，第1911019页)将该方案应用于同步测量重力和转动效应的长基线原子干涉仪，并在等效原理检验中取得了成功。d.yankelev等人(参见2020年在science advance上的文章，第6卷，eabd0650页)结合莫尔效应，充分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等人(参见2016年在applied physical letters上的文章，第109卷，第071113页)用于转动测量，而y.-j.chen等人(参见2019年在physical review applied上的文章，第12卷，第014019页)也将其应用于多轴陀螺仪。

4、总体而言，原子剪切干涉仪在实时测量方面展现了极大的潜力。然而，由于剪切干涉条纹的相位与空间位置相关，实验测量的精度与原子团、倾角偏转系统和成像系统在实验装置中的相对位置变化以及实际倾角偏转值(实际倾角偏转会受到震动、控制电压等噪声影响)密切相关。这些相对位置的变化可能导致实验测量数据的漂移，从而影响原子剪切干涉仪的精度，并限制其在实际测量中的应用范围。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有原子剪切干涉仪中由于原子团、倾角偏转系统和成像系统的相对位置变化导致测量结果变化以及倾角偏转系统存在偏转误差的问题。为应对这一挑战，本发明提出了一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量方法，还提出了一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量装置，能有效抑制测量漂移。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

3、一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量装置，包括真空系统，真空系统的上部外套设有磁屏蔽系统，磁屏蔽系统的顶部开口；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透镜成像系统和ccd图像传感器；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反射镜，探测激光、第一拉曼激光和第二拉曼激光垂直向下穿过磁屏蔽系统的顶部开口，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，再由反射镜向上反射至真空系统内；在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、一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量方法，利用如上所述一种基于原子剪切干涉的正负倾角交替测量装置，包括如下步骤：

5、步骤1、设置反射镜的倾角θ初始值为0；

6、步骤2、将真空系统内的冷原子团上抛至磁屏蔽系统对应区域；

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，将倾角θ设置为角度θ0，通过倾角偏转系统对反射镜实现选定的倾角θ0的转动；

8、步骤4、当冷原子团自由下落进入探测区域附近，打开探测激光，通过透镜成像系统将落入探测区探测区的冷原子团发出的荧光成像到ccd图像传感器，获得倾角θ＝θ0时原子剪切干涉条纹图像；

9、然后将反射镜的倾角θ还原至初始倾角，

10、通过三对冷却激光使冷原子团在真空系统底部冷却并囚禁，之后再利用三对冷却激光使冷原子团上抛；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，通过倾角偏转系统对反射镜实现倾角为-θ0的转动，通过透镜成像系统将落入探测区探测区的冷原子团发出的荧光成像到ccd图像传感器，获得倾角θ＝-θ0时的原子剪切干涉条纹图像后，进入步骤5；

11、步骤5、基于倾角θ＝-θ0和θ＝-θ0时的原子剪切干涉条纹图像，并选择相同的原子水平位置：

12、当倾角θ＝θ0时，获取原子剪切干涉相位φ1和空间相位梯度κ1；

13、当倾角θ＝-θ0时，获取原子剪切干涉相位φ2和空间相位梯度κ2；

14、步骤6、通过公式以及步骤5得到的φ1、κ1、φ2和κ2计算实际重力加速度引入的相移φg，进而计算实际重力加速度测量值g。

15、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，冷原子团上抛到真空系统内与磁屏蔽系统对应的区域后回落到探测区。

16、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：

17、原子在t1时刻被第一个π/2拉曼脉冲作用，实现原子物质波的分束；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物质波的反射；再经过脉冲间隔时间t时间后，在t3时刻第二个π/2拉曼脉冲作用，实现原子物质波的合束，从而实现冷原子团中原子的干涉；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，倾角偏转系统调整反射镜的倾角θ0，使第二个π/2拉曼脉冲中的第二拉曼激激光偏转2θ0。

18、如上所述步骤6中，实际重力加速度测量值其中α为实验过程中为补偿多普勒频移引入的激光频率扫描啁啾率，keff是拉曼激光有效波矢，t为步骤3中脉冲间隔时间。

19、相较于现有技术，本发明具有以下显著优势：

20、本发明在传统的π/2-π-π/2三脉冲马赫曾德尔原子干涉仪的最后一个拉曼脉冲作用之前，通过调节反射镜，使得拉曼激光波矢方向发生一定角度的偏转(前两个拉曼脉冲波矢方向不变，均与重力加速度方向平行)。这个过程引入了水平的剪切相移，使得原子剪切干涉相位受到空间调制，通过成像到ccd探测器可获取原子剪切干涉相位分布。这一部分与传统原子剪切干涉仪的操作相似。而本专利的核心在于抑制测量漂移的方法：通过连续两次测量分别采用θ0和-θ0的偏角进行交替测量，并通过对两组数据的求解，计算得到绝对重力相移。这一值仅受到两次测量中原子团、倾角偏转系统、成像系统的相对位置短时变化的影响，与其长期位置漂移无关，也与倾角偏转系统的偏转误差无关。

21、通过采用这一方法，本发明成功地抑制了原子团、倾角偏转系统和成像系统的相对位置的长期漂移以及倾角偏转系统的偏转误差对原子剪切干涉仪测量精度的影响。这使得在振动和温度变化较大的野外环境中，原子剪切干涉仪仍能够保持高精度的测量。