[发明专利]基于类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置

说明书

一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置，该方法的步骤为：S1：冷原子团的制备；通过前级冷却得到冷原子团；S2：速度选择与态制备；通过拉曼速度选择，原子团温度进一步降低；态制备在磁不敏感的状态F＝1,m_F＝0上；S3：原子干涉；通过两束拉曼光对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。S4：内态探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，通过探测光配合回泵光、吹散光的作用，分别测得处于两基态超精细能级上的原子布居数，并最终得到跃迁概率以及重力加速度值。该装置用来实施上述方法。本发明具有整体体积小、鲁棒性强、成本低、测量精度高等优点。

技术领域

本发明主要涉及到原子干涉仪领域，特指一种基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置。

背景技术

自迈克尔逊干涉仪发明以来，根据光波的衍射、干涉特性构建的干涉计量仪器因其极高的测量精度和灵敏度而广泛应用于基础科学研究、生产实践、航天航空、地质探矿和国防工业等众多领域。在实践中，人们逐渐认识到采用波长更短的波进行干涉可以提高测量精度，因此于1952年构建了电子干涉仪，1962年构建了中子干涉仪，直到20世纪70年代，人们才开始构思原子干涉仪。原子干涉仪，即以原子物质波代替经典光波作为干涉媒介，用原子光学器件代替经典光学器件来实现分束、反射、合束过程而构成的干涉仪。

相比于其他干涉媒介，原子干涉仪具有以下优势：①由于原子质量远大于光子、中子及电子，相应的物质波波长更短，因此可以获得更高的测量精度和灵敏度。理论分析表明，原子干涉陀螺仪的灵敏度比相同回路面积的He-Ne激光陀螺仪高10¹¹倍，原子加速度仪比现有加速度计的灵敏度高10¹⁷倍。②因为原子具有丰富的内部能级，可以利用电磁场对其进行精密操控，因而原子干涉仪可以提供更广泛的基础研究与应用。③原子显电中性，受杂散电场干扰小，且原子间不存在库伦相互作用，因此可以获得优于电子干涉仪的测量精度。④此外，激光冷却原子技术的发展使得高通量的冷或超冷原子束较易获得，因而原子干涉仪的构造要比中子干涉仪简单和便宜。

原子干涉仪是以原子物质波代替经典光波作为干涉媒介，用原子光学器件代替经典光学器件来实现分束、反射、合束过程而构成的物质波干涉系统，可实现角速度、加速度、时频基准、重力/重力梯度的高灵敏度测量。理论分析表明，原子干涉绝对重力仪可使现有绝对重力仪的灵敏度至少提高3个量级，因此冷原子干涉重力仪器是目前绝对重力仪和重力梯度仪领域中的研究热点，有望为未来高精度地球重力场的探测和重力场模型的建立带来革命性的影响。冷原子干涉重力仪的基本流程为：首先，利用六束光的3维磁光阱技术将大量碱金属(如铷Rb或铯Cs)原子囚禁并冷却至μK量级，使得常温状态下以超音速运动的原子速度降低至1mm/s以下；其次，将冷却后的原子团置于重力场中做自由落体运动，并与相位相干的激光脉冲相互作用，对原子波包进行分束、反射、合束等相干操控，并实现原子干涉；最后，对原子团末态进行探测，利用荧光收集或吸收成像法获得原子干涉条纹，拟合出重力加速度引起的相移，实现绝对重力加速度的精确测量。冷原子干涉重力梯度仪的基本流程与重力仪类似，通过上下两个具有一定距离差的原子干涉重力仪测量结果做差，得到重力梯度测量结果。

目前，原子干涉重力梯度仪的主要方案是通过三个维度的六束光形成磁光阱(Magnetic-optic traps,简记为MOT)，囚禁和冷却原子团，再对原子团进行速度选择和态选择，最后进行拉曼干涉过程。磁光阱的六束激光需要在真空腔上安装六个扩束筒，光路部分需要大量的光学器件，这就不可避免的使得系统体积增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种整体体积小、鲁棒性强、成本低、测量精度高的基于二维交叉光栅的类金字塔结构型原子干涉重力梯度测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：