CN109708674B - 一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，该控制方法包括：步骤01，在三维磁光阱中的三组分光器上设置三组光阑，三组光阑用于形成遮光区域；步骤02，由第一三维磁光阱，沿运动轨迹向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，运动轨迹通过两侧三维磁光阱的遮光区域；步骤03，当判定冷原子团进入第一三维磁光阱的遮光区域时，开启第一三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光以俘获下一冷原子团。通过本申请中的技术方案，有利于减小等待冷原子团飞出陷俘区域的时间，提高了冷原子团的抛射频率和冷原子干涉仪的测量精度，实现了冷原子干涉仪测量过程中的无死区测量。

Description

一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法
技术领域
本申请涉及冷原子陷俘的技术领域，具体而言，涉及一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法。
背景技术
由于在超冷状态下原子的波动性逐渐显现，因此通过将原子制备在超冷状态下使原子物质波产生干涉，进而对原子物质波在抛射路径之中所携带的物理信息进行测量，随着冷原子技术的发展，冷原子干涉仪已经被用来对物理常数、重力加速度、重力梯度、旋转等物理量进行高精度测量。
冷原子干涉仪的工作流程可以分为四个阶段：陷俘阶段，抛射阶段，干涉阶段和干涉信号的探测阶段。由于冷原子干涉仪的特性，在各个阶段对光和磁场的需求均不相同，因此，为了实现各个阶段互不干扰，现有的冷原子干涉仪都是在完成一团冷原子的抛射之后，再进行下一团冷原子的陷俘。考虑到参与干涉的冷原子数量越多，冷原子干涉现象越明显，测量结果也就越精确，因此，会尽量延长陷俘阶段的时间，使干涉仪的测量精度达到较高水准。
而现有技术中，结合冷原子干涉仪的检测效率和检测精度，导致冷原子干涉仪在运行时间段内，一团冷原子完成干涉阶段后，下一团冷原子仍处于陷俘阶段或抛射阶段，这个时间段称为测量死区。理论上可以通过提高冷原子团抛射频率以实现无死区测量，即一个先抛射出来的冷原子团刚完成一个完整的干涉环路时，下一团随后抛射出的冷原子团正要进入干涉环路，但是，此时抛射的冷原子团中原子数量较少，无法提供足够的测量信息，导致冷原子干涉仪的测量精度偏低，同时，考虑到冷原子干涉仪的结构限制，因此，无法通过单纯地提高冷原子团的抛射频率，来实现冷原子干涉仪的无死区测量。
发明内容
本申请的目的在于：提高了冷原子干涉仪的测量精度和冷原子团的抛射频率，降低了冷原子干涉仪存在测量死区的可能性。
本申请的技术方案是：提供了一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，适用于冷原子干涉仪，冷原子干涉仪具有两组冷原子团抛射机构，两组冷原子团抛射机构彼此相对进行冷原子团抛射，每组冷原子抛射机构包括：原子发生器、二维磁光阱以及三维磁光阱，二者彼此相对设置，控制方法包括：利用原子发生器生成原子束，并将原子束发送至二维磁光阱，利用二维磁光阱对原子束中的原子进行冷却，其特征在于，控制方法还包括：步骤01，在两个三维磁光阱中的三组分光器上设置三组光阑，三组光阑用于形成遮光区域，第一组分光器与原子束路径成预定夹角，其两个分光器分别对向原子束路径中的陷俘区域，第一组光阑设置于第一组分光器的边缘、原子束路径的下游，第一组光阑对第一组分光器所分出激光进行遮挡，第二组分光器与第一组分光器正交设置，第二组光阑设置于第二组分光器的边缘、原子束路径的下游，第二组光阑对第二组分光器所分出激光进行遮挡，第三组分光器与第二组分光器和第一组分光器正交设置，第三组光阑设置于第三组分光器的边缘、原子束路径的下游，第三组光阑对第三组分光器所分出激光进行遮挡，其中，三组分光器分出的激光以彼此正交的形式进行照射，将三组激光的相交区域记作陷俘区域；步骤02，由第一三维磁光阱，沿运动轨迹向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，运动轨迹通过两侧三维磁光阱的遮光区域；步骤03，当判定冷原子团进入第一三维磁光阱的遮光区域时，开启第一三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光以俘获下一冷原子团。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤02，具体包括：步骤02a，当判定冷原子团中的冷原子数量大于或等于预设数量时，关断三维磁光阱中磁场线圈中的电流；步骤02b，根据运动轨迹，调整三维磁光阱中三维冷却光的光照强度和三维回泵光的光照强度；步骤02c，当判定冷原子团能够沿运动轨迹运动时，关断三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤02，具体还包括：以预设速度由第一三维磁光阱向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，冷原子团以预设速度被抛射时，在第二三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光关断前，进入第二三维磁光阱的陷俘区域。
本申请的有益效果是：通过在三维磁光阱的分光器上设置光阑，在陷俘区域中形成遮光区域，减少了冷原子团飞出陷俘区域的等待时间，再通过判定冷原子团进入遮光区域时，开启三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光，提高了冷原子干涉仪的抛射频率，实现了冷原子干涉仪的无死区测量。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的冷原子干涉仪的示意图；
图2是根据本申请的一个实施例的二维磁光阱的示意图；
图3是根据本申请的一个实施例的一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法的示意流程图；
图4是根据本申请的一个实施例的三维磁光阱的示意图；
图5是根据本申请的一个实施例的冷原子干涉仪的控制时序图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本实施例提供了一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，适用于冷原子干涉仪，冷原子干涉仪具有两组冷原子团抛射机构，两组冷原子团抛射机构彼此相对进行冷原子团抛射，该冷原子干涉仪包括：第一二维磁光阱1，第二二维磁光阱2，第一三维磁光阱5，第二三维磁光阱6，第一管道7，第二管道8，外层屏蔽罩10，内层屏蔽罩11和干涉腔12，三维磁光阱抛射的冷原子团在干涉腔12内沿着运动轨迹9运动。
控制方法包括：利用原子发生器生成原子束，并将原子束发送至二维磁光阱，利用二维磁光阱对原子束中的原子进行冷却。
二维磁光阱用于向三维磁光阱提供冷原子，其中，第一二维磁光阱1向第一三维磁光阱5发射冷原子的过程，如图2所示，二维推载光201沿y轴正方向，向二维磁光阱陷俘区域202照射，推动二维磁光阱陷俘区域202中的冷原子沿路径3(冷原子运动方向)进入第一三维磁光阱5。相应的，第二二维磁光阱2陷俘的冷原子沿路径4(冷原子运动方向)进入第二三维磁光阱6。冷原子干涉仪还包括一个激光发生器和多组分光器，激光发生器用于向分光器分出激光，由分光器进行分光，以提供二维磁光阱和三维磁光阱所需的激光(如冷却光、回泵光)。
如图3所示，本实施例一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，包括：
步骤01，在两个三维磁光阱中的三组分光器上设置三组光阑，三组光阑用于形成遮光区域，第一组分光器与原子束路径成预定夹角，其两个分光器分别对向原子束路径中的陷俘区域，第一组光阑设置于第一组分光器的边缘、原子束路径的下游，第一组光阑对第一组分光器所分出激光进行遮挡，第二组分光器与第一组分光器正交设置，第二组光阑设置于第二组分光器的边缘、原子束路径的下游，第二组光阑对第二组分光器所分出激光进行遮挡，第三组分光器与第二组分光器和第一组分光器正交设置，第三组光阑设置于第三组分光器的边缘、原子束路径的下游，第三组光阑对第三组分光器所分出激光进行遮挡，其中，三组分光器分出的激光以彼此正交的形式进行照射，将三组激光的相交区域记作陷俘区域；
具体地，以冷原子干涉仪中第一三维磁光阱5为例，如图4所示，引入xyz空间三角坐标系，图4(A)中虚线箭头所指方向为原子束路径的方向，即原子束路径沿y轴设置，此时，原子束路径的下游为y轴正方向。第一三维磁光阱5中第一组分光器和第二组分光器设置在yz平面，第三组分光器沿x轴设置，陷俘区域31的中心位于xyz空间三角坐标系的原点，遮光区域32位于xy平面的上方。第一组分光器与y轴负方向之间的夹角满足预设角度C，其中，预设角度C的取值范围为10°至40°，第二组分光器与第一组分光器正交设置，即第一组分光器与第二组分光器在yz平面垂直，第三组分光器与第一组分光器和第二组分光器正交，三组分光器发出的三维冷却光相交于第一三维磁光阱5的陷俘区域31，为了在保证冷原子团中冷原子数量一定的前提下，提高冷原子团的发射频率，实现冷原子干涉仪的无死区测量，分别在三组分光器上设置光阑34，其中，第一组光阑设置在第一组分光器的上方，第二组光阑设置在第二组分光器的下方，第三组光阑设置在第三组分光器的右侧，即三组光阑位于原子束路径的下游(靠近y轴正方向)。通过设置光阑34，对分光器分出的冷却光进行遮挡，以便于在陷俘区域31中形成遮光区域32。
通过设置遮光区域32，在判定冷原子团进入陷俘区域31的遮光区域32而未离开陷俘区域31时，开启三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光，减小了冷原子团飞出陷俘区域的31的等待时间，提前开启三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光，提高了冷原子团的抛射频率，并且，保证了三维磁光阱的有效陷俘区域体积，有利于提高冷原子团中陷俘的冷原子的数量，实现冷原子干涉仪的无死区测量。
进一步地，三组光阑遮挡三组分光器的遮挡宽度相同，遮挡宽度的计算公式为：
Figure GDA0002986604240000061
其中，L为遮挡宽度，D1为分光器的准直头直径，D2为冷原子团直径，n为预设系数。
具体地，如图4(B)所示，设定分光器33的准直头直径为D1，三维磁光阱陷俘的冷原子团的冷原子团直径为D2，遮挡宽度L的计算公式为：
Figure GDA0002986604240000062
其中，预设系数n一般为4，为了保证三维陷俘区域31的体积，对遮挡宽度L的计算结果进行向下取整，例如，设定准直头直径D1＝22μm，冷原子团直径为D2＝4.5μm，则计算出的遮挡宽度L＝4μm。
步骤02，由第一三维磁光阱，沿运动轨迹向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，运动轨迹通过两侧三维磁光阱的遮光区域；
该步骤02中具体包括：
步骤02a，当判定冷原子团中的冷原子数量大于或等于预设数量时，关断三维磁光阱中磁场线圈中的电流；
具体地，如图5所示，冷原子干涉仪中对二维磁光阱和三维磁光阱的调节可以分为四个预设时间段：陷俘阶段t1，磁场关断阶段t2，调整阶段t3以及抛射等待阶段t4。
进一步地，该步骤20中具体还包括：
以预设速度由第一三维磁光阱向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，冷原子团以预设速度被抛射时，在第二三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光关断前，进入第二三维磁光阱的陷俘区域。
在陷俘阶段t1中，磁光阱控制装置被配置为，当判定冷原子数目大于或等于预设数目时，关断三维磁光阱的磁场线圈。磁光阱控制装置将二维磁光阱和三维磁光阱均置于工作状态，二维磁光阱将冷却的原子发射至三维磁光阱，由三维磁光阱对冷原子进行陷俘，形成冷原子团A，且冷原子干涉运行过程中，冷原子干涉仪以预设速度，由第一三维磁光阱5向第二三维磁光阱6抛射冷原子团，使得冷原子团被抛射后，能够在陷俘阶段t1内，进入第二三维磁光阱6的陷俘区域，即第一三维磁光阱5还能够接收到第二三维磁光阱6发射的冷原子团B，因此，在陷俘阶段t1，第一三维磁光阱5还对冷原子团B进行再陷俘，将冷原子团A和冷原子团B进行融合，形成冷原子团C。陷俘阶段t1的取值通常是由冷原子团C中的原子数量决定的。
在磁场关断阶段t2，形成冷原子团C后，冷原子干涉仪关断三维磁光阱中的反亥姆霍兹磁场线圈(磁场线圈)中的电流，使得三维磁光阱中的磁场逐渐降低，冷原子团C中的原子受到的磁场束缚力逐渐减小，冷原子团C会发生扩散，并且由于原子间发生碰撞，会导致冷原子团C升温，因此，磁场关断阶段t2的取值越小越好。关断反亥姆霍兹磁场线圈产生的磁场后，将二维磁光阱由工作状态切换至休眠状态，关断二维磁光阱中的二维冷却光、二维回泵光和二维推载光201。
步骤02b，根据运动轨迹，调整三维磁光阱中三维冷却光的光照强度和三维回泵光的光照强度；
具体地，在调整阶段t3，当判定磁场线圈产生的磁场为零时，按照预设比例，逐渐减小三维磁光阱中三维冷却光和三维回泵光的光照强度，且将二维磁光阱转换为休眠状态。冷原子干涉仪逐渐降低三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光的光强，使得冷原子团C能够获得一定的移动速度，冷原子团C按照该移动速度能够在抛射等待阶段t4进入光阑34形成的遮光区域32，按照运动轨迹9飞入第一管道7或第二管道8，其中，预设比例可以为折线函数、等比例递减函数或一次函数中的一种。
步骤02c，当判定冷原子团能够沿运动轨迹运动时，关断三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光。
具体地，当判定冷原子团能够沿运动轨迹9运动时，三维磁光阱进入抛射等待阶段t4，冷原子干涉仪还被配置为，当判定冷原子团能够沿运动轨迹9运动时，关断三维冷却光和三维回泵光，开启磁场线圈。
其中，调整阶段t3以及抛射等待阶段t4满足的计算公式为：
v×(t3+t4)＝D1-L，
式中，v为冷原子团C在调整阶段t3内获得的速度。
步骤03，当判定冷原子团进入第一三维磁光阱的遮光区域时，开启第一三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光以俘获下一冷原子团。
具体地，当经过抛射等待阶段t4，判定冷原子团C沿运动轨迹9进入第一三维磁光阱5的遮光区域32时，开启第一三维磁光阱5中的三维冷却光和三维回泵光，以便于第一三维磁光阱5进入下一冷原子团的陷俘循环，提高冷原子团的抛射频率。
通过在三维磁光阱中设置光阑34，在判定冷原子团C进入陷俘区域31的遮光区域32而未离开陷俘区域31时，开启三维磁光阱的三维冷却光和三维回泵光，能够提前让冷原子和冷原子团B进入陷俘状态，减小抛射等待阶段t4的时长，即减小了冷原子团飞出陷俘区域的31的等待时间，提高了冷原子团C的抛射频率，实现了冷原子干涉仪的无死区测量。同时，也能够提高冷原子干涉仪时序控制的容错性。
更进一步地，该控制方法还包括：步骤04，根据冷原子团从第一遮光区域到第二遮光区域的抛射时间，调整干涉腔的规格。
具体地，为了保证冷原子团C由第一三维磁光阱5，沿运动轨迹9到达第二三维磁光阱6的抛射时间tp处于陷俘阶段t1内，以便于完成冷原子干涉仪的结构设计。抛射时间tp应满足的关系式为：
Figure GDA0002986604240000081
式中，预设倍数m为正整数，S为冷原子团C抛射过程中的位移(运动轨迹9)，v为冷原子团C的速度，f(S,v)为抛射时间tp的计算公式。
通过将本申请中的冷原子干涉仪应用于导航陀螺中，在保证导航陀螺精度的前提下，即进行干涉的冷原子团中冷原子的数量满足一定数量，提高了冷原子团的抛射频率，实现了冷原子干涉仪的无死区测量，有利于导航陀螺实现无测量空窗期运行。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，适用于冷原子干涉仪，冷原子干涉仪具有两组冷原子团抛射机构，两组冷原子团抛射机构彼此相对进行冷原子团抛射，每组冷原子抛射机构包括：原子发生器、二维磁光阱以及三维磁光阱，二者彼此相对设置，控制方法包括：利用原子发生器生成原子束，并将原子束发送至二维磁光阱，利用二维磁光阱对原子束中的原子进行冷却，其特征在于，控制方法还包括：步骤01，在两个三维磁光阱中的三组分光器上设置三组光阑，三组光阑用于形成遮光区域，第一组分光器与原子束路径成预定夹角，其两个分光器分别对向原子束路径中的陷俘区域，第一组光阑设置于第一组分光器的边缘、原子束路径的下游，第一组光阑对第一组分光器所分出激光进行遮挡，第二组分光器与第一组分光器正交设置，第二组光阑设置于第二组分光器的边缘、原子束路径的下游，第二组光阑对第二组分光器所分出激光进行遮挡，第三组分光器与第二组分光器和第一组分光器正交设置，第三组光阑设置于第三组分光器的边缘、原子束路径的下游，第三组光阑对第三组分光器所分出激光进行遮挡，其中，三组分光器分出的激光以彼此正交的形式进行照射，将三组激光的相交区域记作陷俘区域；步骤02，由第一三维磁光阱，沿运动轨迹向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，运动轨迹通过两侧三维磁光阱的遮光区域；步骤03，当判定冷原子团进入第一三维磁光阱的遮光区域时，开启第一三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光以俘获下一冷原子团。通过本申请中的技术方案，有利于减小等待冷原子团飞出陷俘区域的时间，提高了冷原子团的抛射频率和冷原子干涉仪的测量精度，实现了冷原子干涉仪测量过程中的无死区测量。
本领域技术人员应该能够理解，如果冷原子干涉仪存在测量死区，但该测量死区能够忽略不计，仍属于本申请中提及的无死区测量。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (3)

1.一种冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，适用于冷原子干涉仪，所述冷原子干涉仪具有两组冷原子团抛射机构，两组所述冷原子团抛射机构彼此相对进行冷原子团抛射，每组所述冷原子抛射机构包括：原子发生器、二维磁光阱以及三维磁光阱，二者彼此相对设置，所述控制方法包括：利用所述原子发生器生成原子束，并将所述原子束发送至所述二维磁光阱，利用所述二维磁光阱对所述原子束中的原子进行冷却，其特征在于，所述控制方法还包括：
步骤01，在两个三维磁光阱中的三组分光器上设置三组光阑，所述三组光阑用于形成遮光区域，
第一组分光器与所述原子束路径成预定夹角，其两个分光器分别对向所述原子束路径中的陷俘区域，第一组光阑设置于所述第一组分光器的边缘、所述原子束路径的下游，所述第一组光阑对所述第一组分光器所分出激光进行遮挡，
第二组分光器与所述第一组分光器正交设置，第二组光阑设置于所述第二组分光器的边缘、所述原子束路径的下游，所述第二组光阑对所述第二组分光器所分出激光进行遮挡，
第三组分光器与所述第二组分光器和所述第一组分光器正交设置，第三组光阑设置于所述第三组分光器的边缘、所述原子束路径的下游，所述第三组光阑对所述第三组分光器所分出激光进行遮挡，
其中，三组所述分光器分出的激光以彼此正交的形式进行照射，将三组所述激光的相交区域记作所述陷俘区域；
步骤02，由第一三维磁光阱，沿运动轨迹向第二三维磁光阱抛射冷原子团，其中，所述运动轨迹通过两侧所述三维磁光阱的所述遮光区域；
步骤03，当判定所述冷原子团进入所述第一三维磁光阱的所述遮光区域时，开启所述第一三维磁光阱中的三维冷却光和三维回泵光以俘获下一冷原子团。
2.如权利要求1所述的冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，其特征在于，所述步骤02，具体包括：
步骤02a，当判定所述冷原子团中的冷原子数量大于或等于预设数量时，关断所述三维磁光阱中磁场线圈中的电流；
步骤02b，根据所述运动轨迹，调整所述三维磁光阱中所述三维冷却光的光照强度和所述三维回泵光的光照强度；
步骤02c，当判定所述冷原子团能够沿所述运动轨迹运动时，关断所述三维磁光阱的所述三维冷却光和所述三维回泵光。
3.如权利要求1所述的冷原子团快速陷俘和高频相向抛射的控制方法，其特征在于，所述步骤02，具体还包括：
以预设速度由第一三维磁光阱向第二三维磁光阱抛射所述冷原子团，其中，所述冷原子团以所述预设速度被抛射时，在所述第二三维磁光阱的所述三维冷却光和所述三维回泵光关断前，进入所述第二三维磁光阱的所述陷俘区域。
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