CN100538269C - 微型原子陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型原子陀螺仪，它包括真空玻璃腔、碱金属释放剂、角阀、双面法兰和离子泵、偏置磁场底座，原子芯片与支撑底座相连，支撑底座安装在真空玻璃腔内，真空玻璃腔通过双面法兰与四通相连，四通分别与角阀、离子泵、馈通法兰相连。本发明结构简便，可行性强，测量准确，广泛用于惯性导航。

Description

微型原子陀螺仪

技术领域：

本发明涉及一种利用冷原子干涉环路来测量转动的微型原子陀螺仪，尤其涉及一种利用原子芯片来囚禁和操纵冷原子，并进一步利用原子芯片上的原子导引形成的干涉环路来实现对转动的测量的微型冷原子陀螺仪，它主要用于惯性导航。

背景技术：

目前，用于惯性导航的陀螺仪主要是光学陀螺仪，其原理是利用光学干涉环路中由转动引起的萨格奈克(Sagnac)效应所造成干涉条纹的移动来测量转动速度：

$\mathrm{\Φ}=4\mathrm{\πA}\·\mathrm{\Ω}\frac{m}{\mathrm{\η}}$

其中，A为干涉环路包围的面积，Ω为转动的速度，m为光子或原子的质量。

光学陀螺仪可以很容易地实现小型化和实用化，它的不足和缺点主要是测量精度不高。而利用原子的波动性来形成干涉，并进一步构成包围一定面积的干涉环路，同样利用萨格奈克效应来测量转动速度的原子陀螺仪的测量精度则可以大大提高，原因是原子的质量比光子大得多，在相同环路面积下，很小的转动就可以引起相对于光学陀螺仪来说大很多的相位差，从而大大提高了陀螺仪的分辨率和精度。目前，在国际上实现的此类原子陀螺仪主要有两种，热原子束陀螺仪和冷原子陀螺仪，其测量精度比其它任何类型陀螺仪都高出好几个数量级；但是其缺点和不足是整个系统很庞大，很难做到实用化。

发明内容：

本发明的目的是在于提供一种微型原子陀螺仪，结构简便，操作方便，测量精确，可行性强，该微型原子陀螺仪是在不影响现有原子陀螺仪对转动高精度测量的基础上，对原子陀螺仪进行了微型化设计，使其成为一种可以搬运的冷原子陀螺仪。

本发明涉及一种微型原子陀螺仪系统的设计，以及利用原子芯片上导引所构成的冷原子干涉环路来测量转动的技术方案：一种微型原子陀螺仪，整个系统由真空玻璃腔、原子芯片、碱金属释放剂(市场上购置)、四通、角阀、馈通法兰、双面法兰和离子泵组成，其核心部分是原子芯片，原子芯片与支撑底座相连，支撑底座安装在真空玻璃腔内，真空玻璃腔通过双面法兰与四通相连，四通分别与角阀、离子泵、馈通法兰相连；支撑底座由无氧铜底座、陶瓷底座、四根固定支杆、铜电极和无氧铜导线构成。无氧铜底座与陶瓷底座相连，铜电极固定在陶瓷底座上面，铜电极一端分别与碱金属释放剂、无氧铜导线、原子芯片相连，另一端与馈通法兰相连。整个系统构成以原子芯片为基础，首先是利用光刻技术在镀金的衬底上刻出系统所需要的微型导线而制成原子芯片，原子芯片上微型导线包括形成双Y型原子导引的四根导线和分别布置在双Y型原子导引的四根导线的两边的用来囚禁原子的一对U型导线，以及布置在双Y型原子导引的四根导线一侧的用来扫描原子相位的一根U型导线。将准备好的原子芯片用可在高真空中使用的导热绝缘胶粘到支撑底座上，支撑底座中间部分是用来散热的无氧铜底座，无氧铜底座和原子芯片之间的中间部位留一个缺口，用以穿过两根固定在陶瓷底座上的无氧铜导线，无氧铜底座边缘固定着绝缘的陶瓷底座，并用点焊技术将原子芯片上的导线与陶瓷底座上铜电极用金丝相连，铜电极最后通过馈通法兰引到真空系统外面，陶瓷底座的侧面的铜电极上固定一个碱金属释放剂，用来产生需要的原子蒸汽，如铷原子蒸汽；安装好原子芯片的支撑底座最后放到一个由四通，直角阀，离子泵，馈通法兰，双面法兰和真空玻璃腔构成的真空系统里面，并通过四根固定支杆固定在双面法兰上面；整个系统先通过直角阀与分子泵机械泵等前级真空预抽系统相连，等得到比较理想的高真空后，关闭直角阀，断开前级系统，整个真空系统通过离子泵维持在高真空状态。然后将真空系统固定在偏置磁场底座的上方，并保证真空玻璃腔中的原子芯片处于固定在偏置磁场底座上的一对与水平方向成45度角的矩形反亥姆赫兹线圈的中央；偏置磁场底座上固定一对与水平方向成45度角的矩形反亥姆赫兹线圈，同时偏置磁场底座上分别在XYZ方向上的固定矩形亥姆赫兹线圈。

本发明提供的利用芯片上原子导引所形成的冷原子干涉环路来测量转动的技术方案为：首先以原子芯片为镜面，利用固定在偏置磁场底座上的一对与水平方向成45度角的矩形反亥姆赫兹线圈产生的四极磁场和囚禁激光构成镜面磁光阱来囚禁原子；接着利用芯片上的用来囚禁原子的一对U型导线和固定在偏置磁场底座上X方向的一对矩形亥姆赫兹线圈产生的均匀磁场共同形成的四极磁场和囚禁激光构成的U型镜面磁光阱将冷原子转移到芯片上；然后进一步将冷原子转移到原子芯片上的双Y型原子导引和固定在偏置线圈底座上Z方向上的一对矩形亥姆赫兹线圈共同形成的原子导引中，并用原子芯片下方的两根无氧铜导线产生的梯度磁场让冷原子团在双Y型原子导引中运动，并通过双Y型原子导引实现冷原子团的分束和合束；由于冷原子相干长度很小，而测量转动需要的干涉环路面积越大越好，这样直接利用原子导引的分束和合束很难在动量空间得到干涉条纹；为了得到好的干涉条纹，必须利用原子内态的相干特性，即在分束前将原子相干制备到基态的一个子能级上，如铷-85的5S基态上两个子能级中的一个，在分束后，由于转动引起的萨格奈克效应会使两路原子产生相位差，合束后相干探测某个基态能级上原子数布居，得到干涉条纹，从干涉条纹便可以读出转动引起的相位差，从而得到转动的速度(Ω)，实现对转动的测量。

本发明涉及的微型原子陀螺仪的特点在于：

1、利用原子芯片来操纵冷原子，整个系统很小，是一种可以搬运的原子陀螺仪。

2、利用原子芯片上的原子导引来实现原子的分束和合束，可以在很小的系统中得到很大的干涉环路，从而在微型化的基础上，也不会影响原子陀螺仪的精度

3、将原子内态的相干与原子导引相结合来实现马赫-曾特(Mach-Zehnder)原子干涉仪，从而实现原子干涉的微型化和实用化，并进一步利用微型化原子干涉环路来实现对转动的精确测量。

附图说明：

图1为一种微型原子陀螺仪结构示意图。

图2为一种原子芯片整体外观示意图。

图3为图2原子芯片上导线结构示意图。

图4为一种原子芯片支撑底座侧视示意图。

图5为一种原子芯片支撑底座俯视示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2、图3、图4和图5可知，它由真空玻璃腔6、原子芯片13，碱金属释放剂20、四通3、角阀1、馈通法兰2、双面法兰5和离子泵4组成，其特征是原子芯片13与支撑底座8相连，支撑底座8安装在真空玻璃腔6内，真空玻璃腔6通过双面法兰5与四通3相连，四通3分别与角阀1、离子泵4、馈通法兰2相连；支撑底座8由无氧铜底座21、陶瓷底座19、四根固定支杆17、铜电极18和无氧铜导线22构成。无氧铜底座21与陶瓷底座19相连，铜电极18固定在陶瓷底座19上面，铜电极18的一端与碱金属释放剂20、无氧铜导线22、原子芯片13相连，另一端与馈通法兰2相连。

系统的核心是原子芯片13，原子芯片13上微型导线包括形成双Y型原子导引的四根导线15和分别布置在双Y型原子导引的四根导线15的两边的用来囚禁原子的一对U型导线16，以及布置在双Y型原子导引的四根导线15一侧的用来扫描原子相位的一根U型导线14。先将原子芯片13用可以在高真空中使用的绝缘导热胶粘到支撑底座8上；整个支撑底座8由五部分构成，原子芯片13正下方的无氧铜底座21和固定在无氧铜底座13边缘的陶瓷底座19，其次是无氧铜底座21和原子芯片13之间缺口穿过的两根固定在陶瓷底座19上的冷原子驱动磁场无氧铜导线22，用来限制和驱动冷原子团在双Y型原子导引15中的运动；以及将底座最后固定到双面法兰5上的四根支杆17和用来连通原子芯片上导线的铜电极18。

无氧铜底座21边缘固定着的陶瓷底座19主要用来固定铜电极18，并在最边缘的两根铜电极18上固定碱金属释放剂20，铜电极18的顶端通过金丝与原子芯片13上的导线相连，所有铜电极18的底端则通过绝缘线引到馈通法兰2上，最后通过馈通法兰2接到真空腔外面的电源上。

安装好原子芯片13的支撑底座8最后放到真空系统中，并通过四根固定支杆17固定在双面法兰5上。

整个真空腔的组成如附图1所示，主要由馈通法兰2，标准四通3，直角阀1，离子泵4、双面法兰5和真空玻璃腔6组成。整个系统先通过直角阀1与分子泵机械泵等前级真空预抽系统相连，等得到比较理想的高真空后，关闭直角阀1，断开前级系统，整个真空系统通过离子泵4维持在高真空状态。然后将真空玻璃腔6固定在偏置磁场底座12的上方，并保证真空玻璃腔6中的原子芯片13处于固定在偏置磁场底座12上的一对与水平方向成45度角矩形反亥姆赫兹线圈7的正中央。偏置磁场底座12上固定一对产生四极磁场的与水平方向成45度角的矩形反亥姆赫兹线圈7，偏置磁场底座12上分别在XYZ方向上的固定产生均匀磁场的矩形亥姆赫兹线圈9、10、11。

测量转动的具体实施方式为：首先给碱金属释放剂20通电加热，让其放出一定量的原子蒸汽；然后以原子芯片13为镜面(附图2的原子芯片13中间黑色部位)，结合囚禁、泵浦激光和玻璃真空腔6外一对与水平方向成45度角矩形反亥姆赫兹线圈7产生的四极磁场共同构成的镜面磁光阱来囚禁和冷却原子；之后关闭真空腔外一对与水平方向成45度角矩形反亥姆赫兹线圈7电流，并同时打开原子芯片13上的用来囚禁原子的一对U型导线16和偏置线圈底座12上X方向上的一对矩形亥姆赫兹线圈11的电流，将冷原子转移到原子芯片13上；然后就可以打开双Y型原子导引15和偏置线圈底座12上Z方向上的一对矩形亥姆赫兹线圈10的电流，以及原子芯片13下方两根冷原子驱动磁场无氧铜导线22的电流，并同时关闭激光和囚禁磁场，将冷原子转移到由双Y型原子导引15、偏置线圈底座12上Z方向上的一对矩形亥姆赫兹线圈10和原子芯片13下方两根冷原子驱动磁场无氧铜导线22共同形成的静磁阱里面；此时，关闭原子芯片下方一根无氧铜导线22的电流，同时增大另一根的电流，便可以给冷原子团一个初速度，让冷原子团开始在双Y型原子导引22中运动，同时打开偏置线圈底座上Y方向上的一对矩形亥姆赫兹线圈9的电流，避免原子在双Y型导引中运动时退相干，从而相干地实现冷原子的分束和合束。

在冷原子团分束前，先将其相干制备到基态的一个能级上，如铷85的5S的F＝2态和F＝3态中的一个，冷原子团被分开后，经过两条不同的路径最后合并，通过改变原子干涉相位扫描U型导线14的电流大小来扫描两条不同路径原子的相位差，在对合束后冷原子团基态布居进行相干探测后，便可以得到原子干涉条纹；从干涉条纹的移动便可以读出因为转动所引起的原子的相位差，然后根据萨格奈克效应的理论就可以计算出转到的速度。

以上技术方案可实现一种结构简单、稳定度高、微型化的原子陀螺仪，具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1、一种微型原子陀螺仪，它包括真空玻璃腔(6)、碱金属释放剂(20)、角阀(1)、双面法兰(5)、离子泵(4)、馈通法兰(2)、原子芯片(13)、支撑底座(8)、偏置磁场底座

、反亥姆赫兹线圈(7)和亥姆赫兹线圈(9、10、11)，其特征是原子芯片(13)与支撑底座(8)相连，支撑底座(8)安装在真空玻璃腔(6)内，真空玻璃腔(6)通过双面法兰(5)与四通(3)相连，四通(3)分别与角阀(1)、离子泵(4)、馈通法兰(2)相连，支撑底座(8)由无氧铜底座(21)、陶瓷底座(19)、四根固定支杆(17)、铜电极(18)和无氧铜导线(22)构成，无氧铜底座(21)与陶瓷底座(19)相连，铜电极(18)固定在陶瓷底座(19)上，铜电极(18)一端分别与碱金属释放剂(20)、无氧铜导线(22)、原子芯片(13)相连，另一端与馈通法兰(2)相连，原子芯片(13)上微型导线包括双Y型原子导引的四根导线(15)和分别布置在双Y型原子导引的四根导线(15)两边的囚禁原子的一对U型导线(16)，以及布置在双Y型原子导引的四根导线(15)一侧的扫描原子相位的一根U型导线(14)。

2、根据权利要求书1所述的一种微型原子陀螺仪，其特征在于：所述的真空玻璃腔(6)固定在偏置磁场底座(12)的上方，真空玻璃腔(6)中的原子芯片(13)固定在偏置磁场底座(12)上的一对与水平方向成45度角矩形反氦姆赫兹线圈(7)的中央。

3、根据权利要求书1所述的一种微型原子陀螺仪，其特征在于：所述的偏置磁场底座(12)上固定一对与水平方向成45度角的矩形反亥姆赫兹线圈(7)，偏置磁场底座(12)上分别在XYZ方向上的固定矩形亥姆赫兹线圈(9、10、11)。

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