原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冷原子干涉技术领域，具体涉及一种原子团温度、运动速度及运动轨 迹的探测方法及装置。
【背景技术】
[0002] 原子陀螺因具有更高的理论测量精度而日趋成为惯性导航领域的主流发展方向， 原子轨迹的精确控制是实现原子陀螺精确测量的前提。对于单向抛射的原子陀螺，需要精 确控制原子轨迹与光路系统的位置关系；对于双向对抛的原子陀螺不但要保证原子轨迹与 光路系统的位置关系，更要保证两团对抛原子轨迹的重合度，这对于提高原子陀螺的测量 精度至关重要。因此原子轨迹探测方法及装置作为一种检测手段在冷原子陀螺技术领域具 有广泛的应用前景。
[0003] 原子的运动轨迹取决于原子的初始抛射速度及方向，而初始抛射速度由原子冷却 囚禁光束的光强及失谐控制决定，抛射方向的偏差由原子囚禁光束的位置安装及光束对准 情况决定。通过机械加工精度很难保证原子沿着预定的轨迹抛射，因此需要对原子的飞行 轨迹进行探测，以此来指导对原子运动轨迹的修正。
[0004] 目前对飞行过程中的原子进行探测的方法有"飞行时间法"以及利用直接数字频 率综合器精确控制原子飞行轨迹。其中"飞行时间法"主要用于探测原子冷却温度，不能实 现原子的运动轨迹探测，华中科技大学2011年周敏康博士论文和浙江大学2010年韩顺利 博士论文；而直接数字频率综合哭只能够精确的控制原子的飞行轨迹，但无法实现原子运 动轨迹的精确测量，如武汉物理与数学研究所发表的文章《对抛式冷原子陀螺仪中原子运 动轨迹的控制》。
[0005] 原子冷却温度是原子囚禁质量的重要指标，原子团的抛射速度影响测量相位，而 原子运动轨迹的精确控制是原子陀螺实现高精度测量的前提条件，目前还没有在单一装置 条件下实现这三个参量测量的技术。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出了一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及 装置，本发明的探测方法及装置构思巧妙，结构简单，能够在单一探测装置下实现原子团冷 却温度、飞行速度及运动轨迹测量，进而提高原子陀螺的性能。
[0007] 本发明具体的技术方案是一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装 置，包括探测光路系统和信号采集系统，其特征在于，
[0008] 所述的探测光路系统包括入射光纤、扩束准直系统、光阑和反射镜，所述的入射光 纤通过连接头与扩束准直系统连接固定，将入射光纤出射的点光源扩束整形为矩形平面 波，矩形平面波的长边方向平行于原子团的运动轨迹方向，所述的光阑具有三条平行的狭 缝，三条狭逢的宽度相等并且每条狭逢的宽度小于原子团的直径，所述的反射镜的镜面与 扩束准直系统的出射光垂直，扩束准直系统出射的矩形平面波经过光阑形成三束片状平行 光束照在反射镜的镜面上，原子团运动轨迹位于光阑和反射镜之间。
[0009] 所述的信号采集系统包括聚焦镜头、光电二极管ro和CCD，设扩束准直系统照射 光阑形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区域，在进行原 子团冷却温度、飞行速度探测时，所述的光电二极管ro的靶面位于聚焦镜头的焦平面上， 三个探测区域能够全部成像在光电二极管ro的靶面上，在进行运动轨迹的探测时，所述的 CCD的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在CCD的靶面上。
[0010] 更进一步地，所述的入射光纤的出射光为Rb87原子从F= 2 -F' = 3跃迀的共 振激光，该激光与原子作用产生的共振荧光作为原子轨迹探测信号。
[0011] 更进一步地，所述的聚焦镜头的光轴方向与扩束准直系统的出射光成45度夹角。
[0012] 更进一步地，所述的信号采集系统有两套，对称布置于探测光路系统两侧。
[0013] 采用所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的探测方法， 其特征在于，包括以下步骤：
[0014] 1)调整探测光路系统，使扩束准直系统的出射光与反射镜的反射光平行，并垂直 于原子团运动轨迹方向；
[0015] 2)使所述的光电二极管ro的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，调整聚焦镜头对三 个探测区域进行聚焦；
[0016] 3)进行原子团抛射，原子团通过三个探测区域时，光电二极管ro探测到的光强呈 高斯分布，记录原子团通过每个探测区域的高斯谱线中心位置及谱线宽度，设原子团通过 第一个探测区域的高斯谱线的半宽度A^为原子团经过第一探测区域所用时间，记对应的 高斯谱线中心时刻为h，设原子团通过第三个探测区域的高斯谱线的半宽度At3为原子 团经过第三探测区域所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t3，设第一探测区域与第三 探测区域之间的距离为21，设原子团从第一探测区域到第三探测区域的运动时间为T，则T =t3_ti，原子团抛射速度V= 21/T，原子团从第一探测区域运动到第三探测区域的半径展
1. 42X10 25kg为铷原子质量，kB= 1. 38X10 23J/K为波尔兹曼常数。
[0017] 4)使所述的光电二极管ro的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，调整聚焦镜头对三 个探测区域进行聚焦；
[0018] 5)进行原子团抛射，通过调整C⑶的曝光时刻来捕捉原子团通过三个探测区域的 时刻，通过连续的三次曝光并记录原子团通过三个探测区的位置图像，得到原子团的运动 轨迹。
[0019] 本发明的有益效果是在单一装置的条件下本发明的方法既能够实现原子冷却温 度及飞行速度的测量又能够实现原子团运动轨迹的二维探测。原子冷却温度及运动速度的 测量中通过提取飞行信号高斯谱线的中心位置及宽度并计算得到。原子团运动轨迹的测量 通过提取原子团在CCD靶面所成像的中心位置坐标来确定，其定位精度可达亚像素级别。 并在双向对抛原子团时，可方便地探测原子团运动轨迹，以调整原子团发射方向，实现对抛 原子团轨迹重合，进而提高原子陀螺的性能。
[0020] 说明书附图
[0021] 图1为本发明的原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的结构示意 图；
[0022] 图2为本发明的探测装置的探测光路系统原理图；
[0023] 图3为采用本发明的方法进行原子团冷却温度及飞行速度探测得到的高斯谱线 图；
[0024] 图4为采用本发明的方法进行两团原子对抛轨迹不重合探测的4种形式示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步地说明。
[0026] 如图1-2所示，本发明的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置， 包括探测光路系统和信号采集系统。
[0027] 所述的探测光路系统包括入射光纤11、扩束准直系统12、光阑13和反射镜14,所 述的入射光纤11通过连接头与扩束准直系统12连接固定，所述的入射光纤11的出射光 为Rb87原子从F= 2 -F' = 3循环跃迀的共振激光，该激光与原子作用产生的共振荧光 作为原子轨迹探测信号。扩束准直系统12包括双胶合准直透镜及柱面镜，将入射光纤11 出射的点光源扩束整形为矩形平面波，矩形平面波的长边方向平行于原子团的运动轨迹方 向，所述的光阑13具有三条平行的狭缝，三条狭逢的宽度相等并且每条狭逢的宽度小于原 子团的直径，目的在于ro探测荧光信号时能够得到高斯型的信号谱线，便于精确定位原子 团的中心位置及半径。所述的反射镜14的镜面与扩束准直系统12的出射光垂直，扩束准 直系统12出射的矩形平面波经过光阑13形成三束片状平行光束照在反射镜14的镜面上， 原子团运动轨迹位于光阑13和反射镜14之间。三束片状平行光束通过原子团运动轨迹后 经过反射镜14将光束返回，从而形成三组对射的探测光，采用对射光束的目的在于避免探 测光与原子团作用过程中加热原子、改变原子的运动轨迹。
[0028]所述的信号采集系统包括聚焦镜头21、光电二极管TO22和(XD23,设扩束准直系 统12照射光阑13形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区 域，分别记为Op〇2、O3，在进行原子团冷却