[发明专利]一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置

说明书

本发明公开了一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置；属于原子干涉和重力勘测技术领域；包括：真空腔体，用于为原子蒸汽提供一个密封容器，并为冷原子的制备和操纵提供真空度为(10^‑8～10^‑7)Pa的真空环境。有两个冷原子团制备结构且位于干涉区的同一端；本发明结构紧凑，在地表工作环境中重心低，支撑简单，装置具有较好的稳定性；两个原子团在探测区真空腔中共用一个探测激光和光电探测器，减小了系统复杂度，抑制了共模探测误差；干涉在同一个细长形真空腔中完成，包裹磁场屏蔽材料方便；两个原子团之间没有冷原子制备结构，装置自吸引效应小，而且为附加引力源标定测量结果预留了空间。本装置只需要一套探测系统、磁场效应抑制好、量子投影噪声小。

技术领域

本发明属于原子干涉仪和重力勘测技术领域，更具体地，涉及一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置。

背景技术

精密重力测量在地球物理应用中有着广泛应用。在资源勘探中，重力加速度及重力梯度数据可以用于重力场反演来得到地下的质量分布，从而为资源勘探提供重要线索。

重力加速度是重力势能对空间位置的一阶微商；而重力梯度是重力势能对空间位置的二阶微商，它是一个二阶张量，有9个分量(其中只有5个独立分量)。重力梯度测量需要测量空间中两点的重力加速度差。重力加速度和重力梯度可以通过不同的方法来实现。比如低温超导重力(梯度)仪、旋转加速度计重力梯度仪、静电悬浮重力(梯度)仪、以及FG-5绝对重力(梯度)仪、原子干涉重力(梯度)仪等。原子干涉重力(梯度)仪具有潜在灵敏度高、无零点漂移等优点。

冷原子干涉技术最初在1991年由美国斯坦福的朱隶文教授小组实现。由于微观粒子具有波动性，因此微观粒子的波包在不同路径演化之后重合可以发生干涉现象。利用激光操纵原子，使原子的波包发生分束、反射、合束，可以实现原子的干涉。原子具有静止质量，其波包在重力场中演化受重力势能影响，原子干涉的干涉相位包含重力项。因此，原子干涉仪可以用来进行高精度重力测量。

在竖直方向同时构造两个干涉仪可以测量重力梯度张量竖直方向的对角分量。所构造的仪器就是原子干涉重力梯度仪。其优势在于，它由同一束激光操纵两团原子干涉，地面震动噪声和激光相位噪声这两项主要噪声对两个干涉过程是共模噪声。因此梯度测量对这两项噪声是共模抑制的。

目前，测量竖直方向对角分量的原子干涉重力梯度仪方案有以下两种。第一种是利用单个磁光阱(图2)冷却囚禁原子(单物质波源)，先后上抛两团原子(New Journal ofPhysics 12，095009，2010)或者上抛一团原子，然后利用激光将一团原子分成两团(arXiv:1610.03832v2)。这种方案主要受限于单个磁光阱冷却囚禁原子的速度，平均单位时间内参与干涉的原子数目较少，导致量子投影噪声较大，限制了梯度测量的灵敏度。第二种方法是采用两个磁光阱来囚禁原子(双物质波源)，有两个干涉区，干涉区和磁光阱交替排列。(Phys.Rev.A，65，033608，2002)。这种方案导致装置重心高，装置稳定性较差；两个干涉仪之间有一个三维磁光阱结构，导致仪器自吸引效应显著；两干涉仪之间的三维磁光阱结构占据了很大空间，不利于使用附加引力质量标定梯度测量结果；需要两套探测装置和需要分别进行磁场屏蔽。

发明内容

以上列举的两种重力梯度仪构造方案，第一种量子投影噪声大，第二种仪器重心高、自吸引效应大，且不利于附加吸引质量标定，需要两套探测装置，需要对两个干涉区进行磁场屏蔽。针对这些不足，本发明提供了一种基于双物质波源的新的双原子干涉仪重力测量实现方案。

本发明提供了一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置，包括：真空腔体，用于为原子蒸汽提供一个密封容器，并为冷原子的制备和操纵提供真空度为(10^-8～10^-7)Pa的真空环境。