一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法与系统与流程

本发明属原子干涉技术和精密测试，具体涉及一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法与系统。

背景技术：

1、原子干涉传感器是一种物质波干涉测量仪器，其衍生出的原子重力仪、原子陀螺仪等仪器已经在高精度测量等领域得到了具体应用。在原子干涉仪的一次测量过程中，通常具有特定频率差的双波长拉曼激光照射原子，使原子发生双光子跃迁，造成原子内态布居数改变。在原子干涉仪的一次测量过程中，通常需要使用拉曼激光对原子进行多个脉冲的照射，类似于马赫-曾德尔光学干涉仪，原子团发生分束、反射、合束等过程，最终通过荧光检测等方式实现院子内态布居数的测量，得到原子物质波干涉条纹，进而推算测量物理量值。

2、传统的使用拉曼激光对原子进行多次脉冲干涉的实现方法，为在多次脉冲作用时刻所对应的原子路径上，设置多个拉曼作用窗口，将拉曼光进行分束后分别注入不同窗口，实现原子的多脉冲干涉。如cn103837904b基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法，采用了双拉曼光束实现多脉冲干涉，相比于本技术采用单拉曼光束的方法，一方面需要多组分光、波片、反射等器件，额外造成了装置的复杂性；另一方面不同组拉曼光束作用窗口之间装配误差也会影响双光束方案中两束拉曼光束的平行度影响测量精度；此外，还因器件老化速度不同存在光强、偏振等不均匀性，造成长时运行后的测量误差。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法与系统，能够在同一束激光照射的空间区域内，进行多次原子干涉过程，测量原子干涉仪的输出结果。

2、本发明是通过下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法，包括：

4、步骤s1：在原子干涉仪系统中，将一束拉曼激光通过准直扩束镜后入射冷原子干涉作用区域；

5、步骤s2：测量冷原子干涉作用区域中，满足原子布居态全部反转的拉曼激光开启持续时间与干涉作用时刻之间的关系，得到曲线1；

6、测量冷原子干涉作用区域中，满足原子布居态50％反转的拉曼激光开启持续时间与干涉作用时刻之间的关系，得到曲线2；

7、步骤s3：将冷原子干涉作用区域划分为多个干涉作用子区域，在每个干涉作用子区域内选定一个原子干涉作用时刻ti，组成干涉作用时刻序列{ti}；

8、步骤s4：根据每个原子干涉作用时刻满足的原子布居态全部反转或50％反转要求，分别查找步骤s2中曲线1或曲线2，确定干涉作用时刻序列对应的拉曼激光开启持续时间τi，形成干涉作用时间序列{τi}；

9、步骤s5：根据步骤s4中得到的干涉作用时间序列{τi}，使原子依次在一束拉曼激光的作用区域内的干涉作用时刻序列{ti}发生多次拉曼干涉，计算冷原子干涉相位信息。

10、进一步的，步骤s2中的曲线1或曲线2的测量方法为：

11、对于每个拉曼激光作用时刻，通过控制单次激光脉冲开启持续时间，得到双光子跃迁拉比振荡条纹；不同拉曼激光作用时刻下，双光子跃迁拉比振荡条纹中首次达到概率转变极大值的激光脉冲开启持续时间组成曲线1，双光子跃迁拉比振荡条纹中首次达到概率转变极大值一半的激光脉冲开启持续时间组成曲线2。

12、第二方面，本发明提供一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉系统，所述系统用于实现第一方面所述的方法，所述系统包括冷原子制备单元1，干涉单元2和探测单元3，其中，

13、所述冷原子制备单元1用于金属原子蒸汽的冷却与冷原子团的定向抛射；

14、所述干涉单元2用于产生扩束拉曼激光，在同一激光光路内与冷原子团发生多次内态干涉作用，改变冷原子团内态布居数；

15、所述探测单元3用于不同内态原子数目的测定。

16、进一步的，所述冷原子制备单元1包括真空腔11和磁光阱12，磁光阱12位于真空腔11的底部；其中，

17、所述真空腔11的内部为高真空环境，内部连接真空抽取装置持续工作，内部充有金属原子蒸汽；

18、所述磁光阱12通过激光和磁场作用，富集并冷却真空腔11中的原子蒸汽，制备得到单一内态的冷原子团；磁光阱还将冷原子团沿空间中任意方向抛射出磁光阱，原子团在磁光阱外的运动为自由落体运动。

19、进一步的，所述干涉单元2包括拉曼激光21，激光扩束镜22，四分之一波片23和反射镜24；其中，

20、所述拉曼激光21为高斯光束，存在两种光频率成分，两种光频率之差等于金属原子外层电子的不同基态间共振激发跃迁频率之差；

21、所述激光扩束镜22的一端与拉曼激光21相连，另一端出射激光为平行光；

22、所述四分之一波片23正交于激光扩束镜22出射的平行光放置，用于改变激光的偏振态；

23、所述反射镜24正交于激光扩束镜22出射的平行光放置，用于反射激光扩束镜22出射激光，使反射光与出射光路径重合，使重合区域中的原子感受到来自两个相反方向的拉曼光照射。

24、进一步的，拉曼激光通过激光扩束镜整形，使光强在光束横截面上均匀分布；拉曼激光通过准直扩束镜后的光束截面与原子干涉仪的抛射轨迹相交；拉曼光照射方向与竖直方向的夹角在80°-100°之间。

25、进一步的，所述探测单元3包括第一共振荧光发射单元31，第二共振荧光发射单元32，第一荧光检测单元33和第二荧光检测单元34；

26、其中，第一共振荧光发射单元31与第一荧光检测单元33关于真空腔11对侧放置，第二共振荧光发射单元32与第二荧光检测单元34关于真空腔11对侧放置。

27、进一步的，所述第一共振荧光发射单元31发射平行激光光束，激光频率等于原子外层电子的共振激发跃迁频率；控制光束方向，使其与原子团在真空腔11中的运动路径存在相交区域；在该相交区域内，激光频率与一种内态原子的共振跃迁相等时，该内态原子将发射荧光；

28、所述第二共振荧光发射单元32发射平行激光光束，激光频率等于原子外层电子的另一共振激发跃迁频率；控制光束方向，使其与原子团在真空腔11中的运动路径存在相交区域；在该相交区域内，激光频率与另一种内态原子共振跃迁相等时，另一内态原子将发射荧光；

29、所述第一荧光检测单元33对第一共振荧光发射单元31照射得到的原子荧光信号进行计数，统计该内态原子的数目；

30、所述第二荧光检测单元34对第二共振荧光发射单元32照射得到的原子荧光信号进行计数，统计另一内态原子的数目。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明提供的一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法与系统，仅使用一组拉曼激光耦合器件，突破了传统方案中引入多路拉曼激光与冷原子制备装置相连的设计，避免了多路器件由于加工公差和老化率不同，从而引起多路激光光强、偏振态等参数不一致，导致原子干涉测量装置出现的系统误差和随机漂移误差。

33、2、本发明提供的一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉系统，简化了硬件结构设计，减少了所需要的光学元器件的数量，有利于小型化与便携式的冷原子干涉测量仪器设计。

34、3、本发明提供的一种冷原子干涉仪的单光束内多脉冲干涉方法，能够仅通过时序控制的方式，在划分出的不同干涉作用子区域中确定不同的干涉作用时刻序列，而无需进行硬件结构上的改动。相比于传统的方案，能够对多次脉冲之间的时间间隔进行更加灵活的选取和调整。