CN106772652B - 一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置 - Google Patents
一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
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***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***、磁场效应抑制好、量子投影噪声小。
Description
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。
更进一步地，所述真空腔体包括：干涉区，探测区，第一冷原子团制备结构和第二冷原子团制备结构；所述干涉区为一根细长型管道，用于为原子干涉过程提供空间，并在所述干涉区上端设置有用于引入原子操纵激光的玻璃窗口；所述探测区用于为原子的探测过程提供空间，为多窗口的腔体，窗口为探测激光和所要收集的荧光提供通道；所述第一冷原子团制备结构和第二冷原子团制备结构用于为冷却囚禁原子提供空间，均为多面体结构，并设置有多个窗口，窗口用于为冷却激光提供通道，并为监测制备时的原子团提供通道；在所述第二冷原子团制备结构的下方还设置有一个用于为原子操纵激光提供通道的窗口。
本装置具有结构紧凑、只需要一套探测***、磁场效应抑制好、量子投影噪声小、仪器重心低自吸引效应小、标定方便等优点。
更进一步地，所述探测区与所述第一冷原子团制备结构之间、所述第一冷原子团制备结构与所述第二冷原子团制备结构之间均通过钛合金管道连接。
更进一步地，所述原子操纵激光为Raman光束或Bragg光束，用于照射原子，使原子发生受激Raman跃迁或者Bragg衍射，实现原子波包的分束、反射与合束。
更进一步地，所述原子干涉重力测量装置还包括：偏置磁场线圈，磁场屏蔽层，光电探测器，主腔体支撑板，第一碱金属样品容器，真空泵，第二碱金属样品容器，激光反射镜和反亥母霍兹线圈；所述偏置磁场线圈为缠绕在所述干涉区臂上的导电线圈，用于产生沿竖直方向的磁场使原子的磁子能级去简并；所述磁场屏蔽层用于衰减干涉区中的背景环境磁场；光电探测器用于收集原子发射的荧光，并转化为电信号；所述主腔体支撑板用于支撑主腔体；所述真空泵用于维持主腔体中的真空度；所述第一碱金属样品容器与所述第一冷原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，用于提供工作物质；所述第二碱金属样品容器与第二冷原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，用于提供工作物质；所述激光反射镜垂直于原子操纵激光放置，用于将原子操纵激光原路反射形成对射的激光，对原子进行操作；所述反亥母霍兹线圈为两个通入反向电流的线圈，安装在第一冷原子团制备结构上并使其轴线平行于冷却激光中的一束，用以在其中心处产生磁场强度零点和磁场梯度，从而与冷却激光配合，在中心处囚禁原子。
更进一步地，磁场屏蔽层由高磁导率材料多层缠绕构成。其中，高磁导率材料可以为坡莫合金薄膜，相对磁导率高达105水平。
更进一步地，光电探测器为光电管或者光电倍增管。
更进一步地，真空泵包括离子泵和吸气剂泵，与第一冷原子团制备结构和第二冷原子团制备结构之间的管道连通。
本发明具有以下优点和积极效果：
(1)采用两个磁光阱结构囚禁原子(物质波源)，囚禁原子的速度增加为原来的2倍，因此单位时间内参与干涉的原子数目多，量子投影噪声小，因此梯度测量的灵敏度可以做到更高。
(2)两个冷原子团制备结构距离较近，且位于干涉区同一端，装置整体结构紧凑，在地表工作环境中重心低，利用平板可以方便地实现支撑，装置具有较好的稳定性。
(3)两个原子团构成的干涉仪，干涉结果在探测区中共用同一个探测激光和光电探测器，避免了搭建两个探测装置，减小了装置复杂度，并且能够抑制共模探测误差。
(4)干涉在同一个细长形干涉区中完成，干涉区没有被冷原子团制备结构分隔开，对单个干涉区域进行磁屏蔽比较简单；而且筒形磁屏蔽越靠中间效果越好，因此相同总长度的干涉区，单个长干涉区比两个分开的短干涉区对背景磁场屏蔽更好。
(5)干涉区是一个整体，中间没有冷原子团制备结构，装置自身质量对原子干涉仪的引力效应(自吸引效应)更小，且干涉时的冷原子团之间有充足的空间。这使在两原子团中间附加已知质量分布的吸引质量来标定重力梯度测量结果(如分辨率)更加方便。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于双物质波源的原子干涉重力测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的三维磁光阱的结构示意图。
其中，101为干涉区，102探测区，103为第一冷原子团制备结构，104为第二冷原子团制备结构，201为偏置磁场线圈，202为磁场屏蔽层，203为光电探测器，204为支撑板，205为第一碱金属样品容器，206为真空泵，207为第二碱金属样品容器，208为激光反射镜，209为反亥母霍兹线圈，a1为第一原子团，a2为第二原子团，L01为原子操纵激光，L02为探测激光，L03为第一向下冷却激光，L04为第一向上冷却激光，L05为第二向下冷却激光，L06为第二向上冷却激光。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种利用原子物质波干涉测量地球重力加速度值和重力梯度值的技术；本发明将两个三维磁光阱结构(图2)置于干涉区腔体101的同一端，同时制备两团冷原子a1，a2。两个干涉过程在干涉腔101中同时完成。在同一个探测区域102用相同探测光L02和光电探测器203对两团原子a1，a2构成的干涉仪的干涉结果进行探测。在地表环境中，利用平板204实现主真空腔体101-104的支撑。
图1示出了本发明实施例提供的基于双物质波源的原子干涉重力测量装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明提供的基于双物质波源的原子干涉重力测量装置由超高真空度腔体101-104和其他附属结构201-209组成；激光束L01-L06和冷原子团a1，a2为工作物质。
超高真空度腔体101-104部分为本装置的主要机械结构，主要作用是为原子蒸汽提供一个密封容器和为冷原子的制备和操纵提供一个超高真空度环境，所要求的真空度一般为10-8-10-7Pa水平。真空腔体所选材料一般有钛合金或者微晶玻璃。现以钛合金为例进行简要说明：腔体与腔体之间同样使用钛合金管道进行连接；激光束通过的地方使用玻璃窗口；各分离部件之间的连接使用无氧铜垫片进行密封。
真空腔体包括：干涉区101，探测区102，第一冷原子团制备结构103，第二冷原子团制备结构104。其中，干涉区101一般可以为一根细长型管道，主要作用是为原子干涉过程提供空间。其上端安装有玻璃窗口以引入原子操纵激光L01；管外缠绕偏置磁场线圈201，用以产生磁场使原子的磁子能级去简并；偏置磁场线圈201外可以缠绕磁场屏蔽层202，用以屏蔽外部环境磁场。探测区102一般为多窗口的腔体，其为原子的探测过程提供空间，所安装的窗口为探测激光L02和光电探测器203所要收集的荧光提供通道。冷原子团制备结构103、104，一般为多面体结构，有很多窗口。其能为冷却囚禁原子提供空间，窗口能为冷却激光L03、L04、L05、L06提供通道，同时也为监测制备时的原子团a1、a2提供通道。探测区102与第一冷原子团制备结构103之间、第一冷原子团制备结构103与第二冷原子团制备结构104之间通过钛合金管道连接。第二冷原子团制备结构104下方还有一个窗口为原子操纵激光L01提供通道。
激光束L01-L06用来制备和操纵原子团a1，a2。其中原子操纵激光L01一般为Raman光束或者Bragg光束，其作用是照射原子，使原子发生受激Raman跃迁或者Bragg衍射，实现原子波包的分束、反射与合束，即操纵原子进行干涉。一般原子操纵激光L01中还可以耦合进清除光，用来清除特定能态的原子。清除光的原理是使原子获得光子动量加速，从而被“吹走”。探测光L02的作用是照射原子，使原子受激跃迁，然后自发辐射出荧光。通过探测荧光强度，可以探测出处于不同态原子的数目，得出干涉相位信息，从而推导出重力加速度信息。冷却光L03-L06是利用红失谐的激光对射对原子进行多普勒冷却，同时与外加磁场相配合还能实现原子的囚禁；一般其中还耦合有回泵光成分，是因为原子在多普勒冷却过程中会自发辐射到不能够继续冷却过程的其他原子基态，叫做暗态，回泵光能够将暗态原子回泵到能够继续多普勒冷却的原子基态。图2为示例三维磁光阱结构，冷却激光L03-L06分别包含三束激光，每两束之间形成对射的激光束对，且三对对射的激光两两垂直。在上抛过程，要改变向下冷却激光L03、L05的激光频率，因此向下冷却激光L03、L05的频率要能够独立控制。
附属结构201-209为附属在主腔体101-104之上或者与主腔体101-104配合的一些小配件。它们与主腔体101-104共同构成本示例装置的整体。其中，偏置磁场线圈201为缠绕在干涉区101臂上的导电线圈，用以产生沿竖直方向的磁场使原子的磁子能级去简并。然后利用原子操纵激光L01与去简并的磁子能级共振，选择出在竖直方向磁偶极距投影为零的原子。这样可以减小背景磁场的影响。磁场屏蔽层202一般由高磁导率材料多层缠绕构成，作用是衰减干涉区101中的背景环境磁场。光电探测器203一般可以为光电管或者光电倍增管，其对探测区102的窗口安装，作用是收集原子发射的荧光，并转化为电信号，方便后续处理以及记录。主腔体支撑板204一般为铝合金材质，外部与型材等支架结构相连，用以支撑主腔体101-104。真空泵206一般包括离子泵和吸气剂泵，与第一冷原子团制备结构103和第二冷原子团制备结构104之间的管道连通，用以维持主腔体101-104中的真空度，真空度一般为10-8Pa水平。碱金属样品容器205,207分别于第一、第二冷原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，为本装置提供工作物质。激光反射镜208垂直于原子操纵激光L01放置，用以将原子操纵激光L01原路反射形成对射的激光，对原子进行操作。反亥母霍兹线圈209为两个通入反向电流的线圈，安装在第一冷原子团制备结构103上并使其轴线平行于冷却激光L03中的一束，用以在其中心处产生磁场强度零点和磁场梯度，从而与冷却激光L03、L04配合，在中心处囚禁原子。
本装置的示例运行原理和操作过程如下：碱金属从碱金属样品容器205、207中挥发到冷原子团制备结构103、104中。利用如图2所示的三维磁光阱结构能够对原子进行冷却囚禁。以其中一个三维磁光阱为例，另一个磁光阱与此完全相同。三维磁光阱由三对对打的冷却激光L103、L104和反亥母霍兹线圈209组成。三对激光互相垂直，在三个方向上使原子减速；线圈209和冷却激光L103、L104配合将原子囚禁在中心，形成原子团a1。
利用三维磁光阱冷却囚禁到足够的原子后降低向下冷却激光L03、L05的频率将原子上抛。控制原子的上抛初始速度可以将原子团a1，a2上抛到预定的高度。控制两原子团a1，a2的上抛间隔可以使两原子团在上抛飞行过程中相对静止。这样两原子团a1、a2相对于原子操纵激光L01的多普勒失谐相同，就可以用同一束原子操纵激光L01同时操纵两原子团a1，a2。
在原子团a1，a2都进入干涉区101之后可以利用原子操纵激光L01同时对原子进行能级选择和速度的选择，称为“选态”。能级选择包括原子的超精细结构能级和磁子能级的选择。利用偏置磁场线圈201产生磁场使原子磁子能级退简并，调节激光频率与竖直方向磁量子数等于零的磁量子能级共振，将它们选择出来并且将其他原子“吹走”。竖直方向磁量子数为零的原子对磁场不敏感，可以减小磁场的影响。速度选择就是利用不同速度的原子相对原子操纵激光L01的多普勒失谐量不同，调节原子操纵激光L01的频率、强度和持续时间，选择出特定速度分布的原子。速度选择之后原子在竖直方向上的速度分布可以更窄，有利于提高信噪比。
选态之后，利用原子操纵激光L01操纵原子团a1，a2同时完成干涉过程。干涉过程一般为典型的三脉冲物质波干涉过程。原子团a1、a2中的原子是一种物质波，利用等时间间隔的三束原子操纵激光L01脉冲使物质波的波包分束、反射然后合束就可以发生干涉现象。干涉过程得到的干涉相位中，包含有重力加速度信息。
干涉过程完成后，原子先后自由下落到探测区102，这时可以利用探测激光L02照射原子，并利用光电探测器203探测原子荧光强度从而给出干涉结果，得出原子团a1，a2在干涉过程中的重力加速度信息。利用合适的方法可以直接提取出原子团a1，a2在干涉过程中的重力加速度之差，并且具有良好的共模噪声(干涉激光相位噪声、地面震动噪声等)抑制作用。同时，也可以分别提取出原子团a1，a2干涉过程中的重力加速度。根据原子团a1，a2干涉过程中两处的重力加速度和重力梯度信息可以给出竖直方向上一定范围内任一点的重力加速度值。
为了使测量结果更加可信，还需要使用附加吸引质量进行标定。将已知质量分布的高密度质量块靠近干涉区101放置，根据牛顿引力定律，质量块产生的引力效应是已知的。用原子干涉仪测出这个附加的引力效应与已知的引力效应进行对比，即可完成重力(梯度)测量标定。一般可以移动标定质量块的位置，比较引力效应的变化量大小，能够共模掉背景引力场的影响。
最后，在地表环境中，利用支撑板203可以完成对主腔体部分的支撑。此外真空泵206可以通过支架固定到主支撑结构上实现支撑。
综上所述，本装置具有结构紧凑、只需要一套探测***、磁场效应抑制好、量子投影噪声小、仪器自吸引效应小、标定方便等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置，其特征在于，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10-8～10-7Pa的真空环境；
所述真空腔体包括：干涉区(101)，探测区(102)，第一冷原子团制备结构(103)和第二冷原子团制备结构(104)；
所述干涉区(101)为一根细长型管道，用于为原子干涉过程提供空间，并在所述干涉区(101)上端设置有用于引入原子操纵激光(L01)的玻璃窗口；且原子干涉过程在同一个细长形干涉区(101)中完成；
所述探测区(102)用于为两个原子干涉结果的探测过程提供空间，为多窗口的腔体，窗口为探测激光和所要收集的荧光提供通道；
所述第一冷原子团制备结构(103)和第二冷原子团制备结构(104)位于所述干涉区(101)的同一端，用于为冷却囚禁原子提供空间，均为多面体结构，并设置有多个窗口，窗口用于为冷却激光提供通道，并为监测制备时的原子团提供通道；在所述第二冷原子团制备结构(104)的下方还设置有一个用于为原子操纵激光提供通道的窗口。
2.如权利要求1所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述探测区(102)与所述第一冷原子团制备结构(103)之间、所述第一冷原子团制备结构(103)与所述第二冷原子团制备结构(104)之间均通过钛合金管道连接。
3.如权利要求1所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述原子操纵激光(L01)为Raman光束或Bragg光束，用于照射原子，使原子发生受激Raman跃迁或者Bragg衍射，实现原子波包的分束、反射与合束。
4.如权利要求1-3任一项所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述原子干涉重力测量装置还包括：偏置磁场线圈(201)，磁场屏蔽层(202)，光电探测器(203)，主腔体支撑板(204)，第一碱金属样品容器(205)，真空泵(206)，第二碱金属样品容器(207)，激光反射镜(208)和反亥母霍兹线圈(209)；
所述偏置磁场线圈(201)为缠绕在所述干涉区(101)臂上的导电线圈，用于产生沿竖直方向的磁场使原子的磁子能级去简并；
所述磁场屏蔽层(202)用于衰减干涉区(101)中的背景环境磁场；
光电探测器(203)用于收集两个原子团(a1，a2)发射的荧光，并转化为电信号；
所述主腔体支撑板(204)用于支撑主腔体(101-104)；
所述真空泵(206)用于维持主腔体(101-104)中的真空度；
所述第一碱金属样品容器(205)与所述第一冷原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，用于提供工作物质；
所述第二碱金属样品容器(207)与第二冷原子团制备结构连通，内部盛有碱金属原子样品，用以弥散出原子气体，用于提供工作物质；
所述激光反射镜(208)垂直于原子操纵激光(L01)放置，用于将原子操纵激光(L01)原路反射形成对射的激光，对原子进行操作；
所述反亥母霍兹线圈(209)为两个通入反向电流的线圈，安装在第一冷原子团制备结构(103)上并使其轴线平行于冷却激光(L03)中的一束，用以在其中心处产生磁场强度零点和磁场梯度，从而与冷却激光(L03、L04)配合，在中心处囚禁原子。
5.如权利要求4所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述磁场屏蔽层(202)由高磁导率材料多层缠绕构成。
6.如权利要求4所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述光电探测器(203)为光电管。
7.如权利要求4所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述光电探测器(203)为光电倍增管。
8.如权利要求4所述的原子干涉重力测量装置，其特征在于，所述真空泵(206)包括离子泵和吸气剂泵，与第一冷原子团制备结构(103)和第二冷原子团制备结构(104)之间的管道连通。
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