[发明专利]量子绝对重力仪及其探头

说明书

本发明公开了一种量子绝对重力仪及其探头，所述探头包括测量部分及支撑架；所述测量部分包括用于捕获原子并为其提供自由落体空间的超高真空单元，该超高真空单元外围配置有与所述激光系统联结并引导产生多个激光束的光路结构及与该光路结构配合以产生冷却、捕获原子的三维磁光阱的磁场单元；超高真空单元的顶部、侧壁及底部均限定有用于注入绝对重力测量所必须的激光束的光学窗口；所述支撑架限定有间隔设置的上、中、下支撑部件，所述光路结构分布于上、中、下支撑部件上，所述磁场单元配置于中支撑部件上，上、中、下支撑部件上均形成有贯通孔。本发明具有相对轻巧、结构紧凑，具有可移动的产品化特点。

技术领域

本发明涉及一种绝对重力测量设备，具体地说，是涉及一种量子绝对重力仪及其探头。

背景技术

高精度重力测量仪器可以用于油气普查、矿产资源勘探、地质调查、环境监测、地球物理等领域，应用前景非常广阔。根据测量方式不同，重力测量可分为绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量是测定地球重力场中特定位置的绝对重力值，相对重力测量是测定地球重力场中特定两点的重力差值。绝对重力测量一般采用动力法。主要利用两种方法:一种是观测自由落体的运动，这是G.伽利略在1590年进行世界上第一次重力测量时所用的方法。第二种是观测摆的运动，这是荷兰物理学家C.惠更斯在1673年提出的。目前常用的绝对重力仪的基本原理就是观测自由落体的运动，自由落体质量体为一个光学棱镜，利用稳定的氦氨激光束的波长作为迈克尔逊（michelson）干涉仪的光学尺，直接测量空间距离；时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。根据质量体下落的距离和时间，从而得出测量点的绝对重力加速度。

量子绝对重力仪是一种新型的高精度绝对重力测量仪器，它利用微观的原子作为测试质量，基于冷原子物质波干涉的方法实现精密的重力加速度测量。冷原子作为一团独特的量子物质，利用它可以实现类似与光波干涉的原子物质波干涉，通过激光脉冲实现原子波包的分束、偏转、合束，从而实现原子干涉条纹，重力加速度会改变微观原子的下落路径，因此改变干涉条纹的相位。通过提取原子干涉条纹的相位，得到重力加速度的信息。量子绝对重力仪一般由探头系统、光路系统、电控系统三部分组成。

地球表面约有71%的海洋，为了获得全球重力资料，必须进行海洋重力测量。在沙漠、冰川、沼泽、崇山峻岭和原始森林等交通不便、人迹难到的地区进行重力测量，需采用航空重力测量方法。海洋和航空等动态重力测量为了抵消载体扰动影响，必须增加辅助测量设备，这些设备对重力仪探头的尺寸及重量有严格的要求。

公开号CN106959473A的中国专利申请文件提供了一种可移动冷原子绝对重力加速度传感器，其采用二维磁光阱+三维磁光阱结构，真空腔采用石英玻璃真空腔。铷原子在二维磁光阱中预冷却，通过吹送光吹送至三维磁光阱中，完成原子装载过程。接下来通过量子态制备、冷原子干涉、归一化探测、震动补偿、倾斜校正、系统误差消除得到测量结果。虽然该系统能实现可移动，但石英玻璃真空腔造价昂贵，容易损坏，运输过程中需设计专用运输平台精密保存。同时二维磁光阱+三维磁光阱结构复杂，限制了探头系统的小型化。

公开号CN106597561A的中国专利申请文件提供了一种用于原子干涉重力测量的真空装置，该申请同样采用二维磁光阱+三维磁光阱结构，真空腔为钛合金真空腔。三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔。十四面体为竖直方向放置，且上方连接探测部件，下方连接光学部件，左边连接二维磁光阱部件。工作时，位于二维磁光阱部件中的原子经过四束激光预冷却后被推送到三维磁光阱部件中进一步被六束对射激光进行三维冷却；充分冷却以后的原子被上抛进入干涉部件，拉曼激光从顶端入射与原子发生相互作用产生原子干涉；干涉完成后，原子落回探测部件时，对原子进行探测。虽然该系统能保证测量精度，但是整个系统过于庞大，二维磁光阱+三维磁光阱结构导致附属冷却光路复杂，引入的激光准直系统较多。三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔，制作复杂并且加工困难。该系统只能用于实验室测量，不具备可移动性。