[发明专利]一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构

说明书

本公开提供了一种用于小型化原子干涉仪的真空装置，包括上、下窗口、方腔、连接部件、原子源部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件。上、下窗口配合扣件用两面镀增透膜的厚玻璃封接，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。通过对上、下窗口之外的光学窗口进行合理的设计并直接内嵌焊接到真空腔体里，以及采用合理的原子冷却干涉方案，大大减小了真空装置的体积和重量，结构变得简洁可靠。同时该真空结构经过恰当改造，也适用于冷原子陀螺仪和重力梯度仪等应用。

技术领域

本公开属于量子精密测量中的绝对重力加速度测量领域，特别涉及一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构。

背景技术

原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。

原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。

在三维冷却陷俘的其中一个过程中，需要在一个特定的梯度磁场下进行，如图1所示。这个梯度磁场是通过一对反亥姆赫兹线圈产生的。

在拉曼干涉过程中，外界的磁场(主要是地磁场)会带来二阶塞曼效应，影响测量灵敏度，所以需要把外磁场屏蔽掉。一般用高磁导率金属做成的磁屏蔽装置来屏蔽外磁场。

由于可移动性和集成性方面的要求，在保证性能不减的前提下，真空装置要尽可能小巧。而目前国内外绝大部分的原子干涉仪所用真空装置过于庞大和笨重。

目前的原子干涉仪的原子源往往采用二维磁光阱的方案。对于前者，真空装置的径向尺寸会非常大，更不利于磁屏蔽装置的安装一一要么把包括二维磁光阱在内的整个真空装置屏蔽起来，这样磁屏蔽装置就过于庞大；要么磁屏蔽装置在二维磁光阱和三维磁光阱的连接管道开口，这样磁屏蔽装置就不能做成一个整体的桶状，安装很麻烦，也会有地磁场漏进三维磁光阱，影响测量结果。

通常的三维磁光阱部件需要给冷却光单独开六个窗口，也就意味着需要配备六个用来做三维冷却的激光光束发射器，使得装置臃肿且成本昂贵。尺寸所限，绕制的一对反亥姆赫兹线圈也只能相距很远，要通很大电流才能产生磁光阱所需的梯度磁场，这样发热量和功耗也会很大。

再者，光学窗口的安装也是限制装置的尺寸以及重量的原因之一。如图2所示，为现有原子干涉仪的探测部件，上端与干涉管连接，其余五个面与图3的光学窗口连接。图3为目前广泛应用的光学窗口，它是由一片石英玻璃92镶嵌到一个金属法兰盘91里做成的，金属法兰盘91本身体积和重量都较大。安装真空的时候，需要把图3的光学窗口的金属法兰盘91用螺丝固定到真空腔外部，当对称安装好光学窗口后，真空装置的径向尺寸就会增加两个金属法兰盘的厚度，使得真空装置变得庞大和笨重。另外固定这些光学窗口的螺丝在搬运的过程中可能会松动从而造成真空漏气，不利于长期稳定性。同时，若光学窗口通光口径不变，探测区的径向尺寸越大，荧光收集的立体角就越小，信噪比就越差，这样就限制了干涉仪的精度。

在拉曼干涉过程中，若不同水平位置的原子感受到的拉曼光波前有差别，将会对干涉条纹造成相移，测量结果会有系统误差。其中，拉曼光自上而下穿过真空装置的上窗口、下窗口，这些玻璃特别是下窗口的玻璃表面的不平整会造成波前畸变，带来系统误差，且难以评估，最好是从源头消除掉这项误差，即保证玻璃的平整度。目前绝大部分的真空装置的上窗口和下窗口是由如图3的光学窗口安装的。由光学窗口本身结构所限，里面的石英玻璃92很难做得厚，如图3的石英玻璃92所示，厚度只有3.18mm。这么薄的石英玻璃，即使本身平整度做高了，在压接的时候也会造成变形。另外在抽高真空之后，内外差了一个大气压，使得薄玻璃进一步发生形变。如此，上下窗口带来的波前畸变不可忽视。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种用于小型化原子干涉仪的真空装置。