冷原子重力梯度仪的制作方法
【专利说明】冷原子重力梯度仪
【背景技术】
[0001] 精确的重力或加速度测量在很多的技术领域是重要的。例如，在惯性导航领域中， 可使用精确测量的加速度作为时间函数来准确地跟踪诸如船或飞行器之类的移动主体的 轨迹。然而，当尝试精确地测量纯加速度时，必须小心操作以确保测量结果并未由于局部重 力场的变化而偏斜。这是因为局部加速度在物理上不能与局部重力场区别开。该等效首先 被艾伯特?爱因斯坦认识到，且现在成为爱因斯坦等效原理，其对要求高精度的任何惯性导 航系统带来了麻烦。然而，可通过重力梯度仪来改善惯性测量以帮助确定是否诸如山之类 的任何大型局部质量异常正在扰乱局部重力场，并且因此系统地影响局部加速度测量。
[0002] 可使用局部重力场的精确地图来识别地下异常，诸如油气储层或地下燃料 (sub-surfacebunkers)。可通过其局部重力梯度标志的表征来从噪声信号唯一地识别此 类地下结构或异常。
[0003] 任何两个质量之间的引力与它们之间的距离的平方成反比例。此外，将局部重力 梯度定义成作为沿着梯度仪的测量轴的距离的函数的局部重力场的变化。如图1A中所示， 由地球产生的局部重力场呈现出沿着z轴的自然梯度。为了确定沿着z方向的局部重力梯 度，例如为了确定地球的局部重力梯度，必须在例如分开距离z处进行两次局部重力测量。 图1A示出了用gzl和gz2表示的两次此类测量的结果。通过对两次测量做减法并除以它们 之间的距离来确定一维重力梯度
[0004]
[0005] 作为固有差分测量的重力梯度测量优于噪声系统中的简单加速度/重力测量，尤 其是在可通过差分化程序来有效地消除共模噪声的情况下。
[0006] 可以各种方式来测量局部重力或者等效地局部加速度。例如，可使用冷原子干涉 仪来测量局部加速度。图1B示出了用于测量成对冷原子样本所经历的局部加速度的公知 冷原子重力梯度仪的示例。通过使冷原子的样本暴露于光脉冲序列以促使原子分裂并沿着 干涉仪的两个支腿行进来实现加速度测量，与在光学干涉仪中发生的并无太大不同。在光 学情况下，最佳地将光理解为电磁波，而在冷原子的情况下，最佳地将原子理解为物质波， 其具有由A=h/p给定的波长，其中，物质波的波长A与原子的动量成反比例，并且h是 普朗克常数。M.J.Snadden、J.M.McGuirk、P.Bouyer、K.G.Haritos以及M.A.Kasevich在 PhysicalReviewLetters81,971(1998)中的"MeasurementoftheEarth'sGravity GradientwithanAtomInterferometer-BasedGravityGradiometer'，中公开了基于冷 原子的此类物质波干涉仪，下面参考图IB来概括其一部分。
[0007] 图1B的设备包括在两个单独磁光阱中被俘获并冷却的冷原子的两个样本。磁光 阱由冷原子云中的循环跃迀进行略微红失谐的频率稳定俘获激光束119形成。通常，需要 复杂的光学系统以从单个俘获激光束119生成12个俘获激光束。该系统（未示出）通常 要求多个射束分离器、反射镜以及偏振元件来产生六对相反传播俘获激光束（在图中示为 在冷原子样本106和104处会聚的箭头）。磁阱在单独真空室（未示出）内在空间上分离。 使用被激励的双光子拉曼激光脉冲的（Ji/2-31 -JI/2)脉冲序列来完成加速度测量。双光 子拉曼脉冲驱动原子的状态按时地在两个原子基态超精细能级之间振荡，称为拉比振荡的 现象。如在本领域中已知的，如果两个拉曼激光束相反地传播，则该三脉冲（/2_ 31 _ 31 /2) 序列结果形成原子干涉仪。在图1B中所示的系统中，从在自由空间中传播到偏振射束分离 器105的双频射束103产生相向传播的拉曼激光束。然后用偏振射束分离器105将射束分 离，具有第一频率的射束笔直地通过射束分离立方体105传播且因此立即通过两个冷 原子云。具有第二频率《 2的射束被射束分离器105和射束分离器107反射出去，并且然 后平行于第一射束传播到反射镜109和110,其使第二射束重定向在与第一射束的传播方 向相反的方向上通过两个冷原子云。
[0008] 通过对使用在两个位置101和103中的每一个处的两个原子干涉仪测量的两个原 子相移做减法来测量沿着两个冷原子样本的拉曼射束的方向的相对加速度。原子相移是从 基态下的测量原子集居数（atompopulation)获得的导出量。（如下所述，在拉曼脉冲之后 的基态中发现的原子的数目由于例如重力加速度或绕着垂直于干涉仪平面的轴的旋转而 随着在干涉仪的一个支腿中引入的相位差而正弦地改变。）经由共振荧光来确定测量的原 子集居数。更具体地，在原子上短暂地以脉冲发射（pulse)被调谐至与循环跃迀共振的探 测射束117。通常，探测射束117是不同于拉曼射束的射束，并且经由射束分离器107被引 入到系统中。类似于拉曼射束103,探测射束117被反射镜109和110重定向，从而与冷原 子样本106和104重叠。从原子所产生的荧光被探测器113和115拾取。然后，可使用已 知且已确认的物理模型从检测到的荧光的量推断处于基态的原子的数目。
[0009]如上文提到的，存在于基态的原子的数目取决于干涉仪的支腿之间的测量相位， 并且可使用关系式於来找到，其中，P是原子处于基态的概率，其为相移引 起的加速度的函数。对于以速率g(r)加速的原子而言，= ?识〃)#其中，丁 是连续拉曼射束脉冲之间的时间，并且&和€分别是用于频率《 :和《 2的拉曼射束的传播 矢量。因此，通过测量基态集居数，可确定相位差於(f)并从而确定g(r)在测量轴上的投 影。此外，然后通过用相对加速度除以其中进行加速度测量的两个位置之间的距离来确定 加速度梯度。
[0010] 鉴于上述内容，图1B中所示的重力梯度仪是相当复杂的。如在图中可以看到的， 需要多个不同的激光源以创建12个磁光射束、两个拉曼激光束以及荧光探测束。此外，图 1B中所述的系统要求将每个磁光阱容纳在单独真空室121和123中。
[0011]另外，在美国专利申请序号12/921，519( "'519申请"）中公开了基于冷原子干涉 测量的惯性测量的示例。'519申请的干涉仪是基于磁光阱，其将单个角锥逆反射器用于绝 对加速度/重力测量。'519申请的系统不能测量重力梯度，并且另外对单个角锥逆反射器 中的振动噪声敏感。由于等效原理，任何振动噪声都作为不能与重力信号区别开的噪声出 现。
【发明内容】
[0012] 提供本
【发明内容】
是为了介绍在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明 内容并不意图识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，其也不意图用作限制要求保护 的主题的范围的辅助。
[0013] 根据下述实施方式，在这里公开了一种冷原子重力梯度仪，其使用单个激光束来 执行多次（例如，两次或更多）相对加速度（或者等效地局部重力）测量。更确切地，根据 一个或多个实施方式，所述单个激光束可被两个或更多反射器反射而形成原子阱，并且可 将同一激光束用于形成原子干涉仪和进行集居数测量。因此，可大大地降低光学系统的复 杂性。同样地，大大地简化了光学校准的难度和制造过程的复杂性，因为只需要使几个光学 件精确地对准，即用于产生磁光阱的反射器和用于产生逆反射拉曼射束的逆反射器（如下 所述，根据所部属的实施方式，该逆反射器可以是角锥反射器的一部分或集成到其中，或者 可不这样）。此外，由于一系列反射器的使用，用于每个连续磁光阱的所有射束都从单个激 光束产生。换言之，来自单个激光束的6N个俘获射束的产生仅要求N个反射器。此外，可 将同一激光束用于拉曼射束、俘获激光束以及荧光检测射束。
[0014] 一般地，在一个方面，本发明的一个或多个实施方式针对冷原子重力梯度仪系统。 该系统包括用于产生沿着传播方向传播的激光束的激光源、第一反射器和第二反射器。第 一反射器反射激光束的第一部分并透射激光束的第二部分。第二反射器沿着传播方向与第 一反射器在空间上分离，并且第二反射器反射激光束的第二部分。
[0015] 根据一个变化例，第一反射器可包括：第一反射表面，其被布置成反射激光束的第 一部分以产生用于俘获冷原子的第一样本的多个第一俘获激光束；以及中心孔，其布置在 第一反射器内，其允许激光束的第二部分透射穿过第一反射器。
[0016] 根据一个变化例，第二反射器可包括第二反射表面，其被布置成反射激光束的第 二部分以产生用于俘获冷原子的第二样本的多个第二俘获激光束。
[0017] 根据一个变化例，第二反射表面可包括被布置成将激光束的第二部分穿过第一反 射器的中心孔逆反射回来的表面。
[0018] 根据一个变化例，冷原子的第一样本被所述多个第一俘获激光束与激光束的逆反 射的第二部分的组合俘获，并且冷原子的第二样本被所述多个第二俘获激光束与激光束的 逆反射的第二部分的组合俘获。
[0019] 根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括将激光束的第三部分穿过第一 和第二反射器反射回来的第三反射器。冷原子的第一样本被所述多个第一俘获激光束与激 光束的逆反射的第三部分的组合俘获，并且冷原子的第二样本被所述多个第二俘获激光束 和激光束的逆反射的第三部分的组合俘获。
[0020] 根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括用于驱动冷原子的第一和第二 样本中的拉曼跃迀的拉曼激光源。拉曼激光束在局部加速度测量方向上传播并穿过第一反 射器的中心孔，并且第二反射器沿着该局部加速度测量方向与第一反射器在空间上分离。
[0021] 根据一个变化例，拉曼激光源是产生沿着传播方向传播的激光束的所述激光源， 其具有用于驱动冷原子样本中的拉曼跃迀的修改后频率。
[0022] 根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括沿着激光束传播方向与第一和 第二反射器两者在空间上分离的第三反射器。该第三反射器包括