[发明专利]基于互补反射镜的单光束原子重力梯度传感器

说明书

本发明公开了一种基于互补反射镜的单光束原子重力梯度传感器，涉及原子干涉技术测量重力梯度领域。本发明包括两个首尾相连且结构相同的第1冷原子干涉装置(A)和第2冷原子干涉装置(B)；每个冷原子干涉装置包括真空容器(1)、第1激光光束发射器(2)、真空泵(3)、碱金属样品(4)、真空分隔器(5)、互补反射镜(6)、第2激光光束发射器(7)、三维磁光阱反向磁场线圈对(8)、偏置磁场线圈(9)和光电探测器(10)。本发明使得传感器的物理系统和光学系统由复杂变简单，可靠性提高，具有良好的长期稳定性，将推动原子重力梯度仪的小型化和应用，将使传感器在资源勘探、环境监测和基础物理研究等方面发挥重要作用。

技术领域

本发明涉及原子干涉技术测量重力梯度领域，尤其涉及一种基于互补反射镜的单光束原子重力梯度传感器。

背景技术

重力梯度是描述重力空间变化率的物理量，由地球表面地质结构和物质密度分布不均匀或突变引起。重力梯度的异常往往与油气、矿藏或地表内部物质的运动变化等相关联，科学家通过重力梯度的测量数据就能够反演出局部的地质结构和物质密度的分布特征。因此，高精度重力梯度的测量在地质勘探、地球科学、空间科学和惯性导航中发挥着重要作用。

目前，成熟的重力梯度测量方案包括美国Bell Aerospace公司的旋转加速度计方案、英国ARKeX公司的超导方案、法国国家航空航天研究院(ONERA)的静电加速计方案。这三种方案都采用宏观测试质量，无法有效隔离不利的环境因素，测量精度受到限制。冷原子干涉方案是最具潜力的重力梯度测量的技术方案。该方案采用真空中的冷原子作为测试质量，将影响重力测量的不利环境因素降到最低，测量精度高，而且能同时测量绝对重力和重力梯度。前三种方案的重力梯度的测量属相对测量，存在长期漂移，而且重力梯度的测量基线受机械结构限制。而冷原子干涉方案的重力梯度测量属绝对测量，无长期漂移，测量基线由拉曼光决定，理论上不受限制，动态范围大，且使用光束操作原子，易于维护。总之，冷原子干涉方案可以同时测量绝对重力和对重力梯度，测量精度高，长期稳定性好，动态范围大和易维护，是重力梯度测量仪器未来发展的技术方向。

冷原子干涉方案是采用两个完全相同的冷原子干涉仪来测量重力梯度，其中每个原子干涉仪测量一个绝对重力，两个原子干涉仪的干涉信号通过椭圆拟合来获得重力梯度。该方案中的两个原子干涉仪并不是完全独立的工作，而是通过一束共享拉曼光来抑制震动噪声，从而提高重力梯度仪的测量精度和环境适应性。1998年，M.A.Kaservich小组首次演示了双原子干涉仪构型的重力梯度仪。与传统方案相比，该方案对重力梯度的测量是绝对测量，具有很好的长期稳定性，并且测量基线不受机械结构的限制，易于维护，受到人们的广泛关注。但该重力梯度仪的真空系统体积大、沉重，激光系统太复杂，影响稳定性和可靠性，不适合在移动平台上工作。为此，M.A.Kaservich小组探索出使用微晶玻璃(Zerodur)制作冷原子干涉仪的真空腔的技术。与钛金属真空腔相比，微晶玻璃(Zerodur)真空腔透明，不需要单独为冷却激光束开孔，使得真空腔的尺寸和重量都大大减小。但两个原子干涉仪需要12束冷却激光，1束拉曼激光，2束探测激光和2回泵激光，再加上相应的频率和功率控制系统，使激光系统仍然复杂、可靠性不高。为了使基于冷原子干涉方案的重力梯度传感器能够走出实验室，在移动平台上工作，物理系统的小型化和激光系统的简化必须同时进行。

发明内容

本发明首次提出了基于互补反射镜的单光束原子重力梯度传感器，目的在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，有助于原子重力梯度传感器的小型化和工程化，推动原子重力传感器在移动平台上广泛应用。

所解决的问题具体在于：

①现有三维磁光阱技术通常采用多面体(如14面体)的真空容器为6束冷却光和其它用途预留窗口，再加上光束准直器，使具有两个三维磁光阱的冷原子重力梯度传感器的体积大且笨重、成本高，难以小型化。