CN105026960B - 冷原子重力梯度仪 - Google Patents

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Abstract

一种冷原子重力梯度仪系统包括产生沿着传播方向传播的激光束的激光源。该系统还包括反射器，其反射激光束的一部分并透射激光束的另一部分(透射部分)。沿着传播方向与第一反射器在空间上分离的第二反射器反射激光束的透射部分。

Description

冷原子重力梯度仪
技术领域
本发明涉及一种冷原子重力梯度仪、一种用于测量重力梯度的方法以及一种冷原子重力梯度仪系统。
背景技术
精确的重力或加速度测量在很多的技术领域是重要的。例如，在惯性导航领域中，可使用精确测量的加速度作为时间函数来准确地跟踪诸如船或飞行器之类的移动主体的轨迹。然而，当尝试精确地测量纯加速度时，必须小心操作以确保测量结果并未由于局部重力场的变化而偏斜。这是因为局部加速度在物理上不能与局部重力场区别开。该等效首先被艾伯特·爱因斯坦认识到，且现在成为爱因斯坦等效原理，其对要求高精度的任何惯性导航系统带来了麻烦。然而，可通过重力梯度仪来改善惯性测量以帮助确定是否诸如山之类的任何大型局部质量异常正在扰乱局部重力场，并且因此系统地影响局部加速度测量。
可使用局部重力场的精确地图来识别地下异常，诸如油气储层或地下燃料(sub-surface bunkers)。可通过其局部重力梯度标志的表征来从噪声信号唯一地识别此类地下结构或异常。
任何两个质量之间的引力与它们之间的距离的平方成反比例。此外，将局部重力梯度定义成作为沿着梯度仪的测量轴的距离的函数的局部重力场的变化。如图1A中所示，由地球产生的局部重力场呈现出沿着z轴的自然梯度。为了确定沿着z方向的局部重力梯度，例如为了确定地球的局部重力梯度，必须在例如分开距离z处进行两次局部重力测量。图1A示出了用gz1和gz2表示的两次此类测量的结果。通过对两次测量做减法并除以它们之间的距离来确定一维重力梯度
作为固有差分测量的重力梯度测量优于噪声系统中的简单加速度/重力测量，尤其是在可通过差分化程序来有效地消除共模噪声的情况下。
可以各种方式来测量局部重力或者等效地局部加速度。例如，可使用冷原子干涉仪来测量局部加速度。图1B示出了用于测量成对冷原子样本所经历的局部加速度的公知冷原子重力梯度仪的示例。通过使冷原子的样本暴露于光脉冲序列以促使原子分裂并沿着干涉仪的两个支腿行进来实现加速度测量，与在光学干涉仪中发生的并无太大不同。在光学情况下，最佳地将光理解为电磁波，而在冷原子的情况下，最佳地将原子理解为物质波，其具有由λ＝h/p给定的波长，其中，物质波的波长λ与原子的动量成反比例，并且h是普朗克常数。M.J.Snadden、J.M.McGuirk、P.Bouyer、K.G.Haritos以及M.A.Kasevich在PhysicalReview Letters 81,971(1998)中的“Measurement of the Earth’s Gravity Gradientwith an Atom Interferometer-Based Gravity Gradiometer”中公开了基于冷原子的此类物质波干涉仪，下面参考图1B来概括其一部分。
图1B的设备包括在两个单独磁光阱中被俘获并冷却的冷原子的两个样本。磁光阱由冷原子云中的循环跃迁进行略微红失谐的频率稳定俘获激光束119形成。通常，需要复杂的光学系统以从单个俘获激光束119生成12个俘获激光束。该系统(未示出)通常要求多个射束分离器、反射镜以及偏振元件来产生六对相反传播俘获激光束(在图中示为在冷原子样本106和104处会聚的箭头)。磁阱在单独真空室(未示出)内在空间上分离。使用被激励的双光子拉曼激光脉冲的(π/2-π-π/2)脉冲序列来完成加速度测量。双光子拉曼脉冲驱动原子的状态按时地在两个原子基态超精细能级之间振荡，称为拉比振荡的现象。如在本领域中已知的，如果两个拉曼激光束相反地传播，则该三脉冲(π/2-π-π/2)序列结果形成原子干涉仪。在图1B中所示的系统中，从在自由空间中传播到偏振射束分离器105的双频射束103产生相向传播的拉曼激光束。然后用偏振射束分离器105将射束分离，具有第一频率ω1的射束笔直地通过射束分离立方体105传播且因此立即通过两个冷原子云。具有第二频率ω2的射束被射束分离器105和射束分离器107反射出去，并且然后平行于第一射束传播到反射镜109和110，其使第二射束重定向在与第一射束的传播方向相反的方向上通过两个冷原子云。
通过对使用在两个位置101和103中的每一个处的两个原子干涉仪测量的两个原子相移做减法来测量沿着两个冷原子样本的拉曼射束的方向的相对加速度。原子相移是从基态下的测量原子集居数(atom population)获得的导出量。(如下所述，在拉曼脉冲之后的基态中发现的原子的数目由于例如重力加速度或绕着垂直于干涉仪平面的轴的旋转而随着在干涉仪的一个支腿中引入的相位差而正弦地改变。)经由共振荧光来确定测量的原子集居数。更具体地，在原子上短暂地以脉冲发射(pulse)被调谐至与循环跃迁共振的探测射束117。通常，探测射束117是不同于拉曼射束的射束，并且经由射束分离器107被引入到系统中。类似于拉曼射束103，探测射束117被反射镜109和110重定向，从而与冷原子样本106和104重叠。从原子所产生的荧光被探测器113和115拾取。然后，可使用已知且已确认的物理模型从检测到的荧光的量推断处于基态的原子的数目。
如上文提到的，存在于基态的原子的数目取决于干涉仪的支腿之间的测量相位，并且可使用关系式来找到，其中，P是原子处于基态的概率，其为相移引起的加速度的函数。对于以速率g(r)加速的原子而言，其中，T是连续拉曼射束脉冲之间的时间，并且和分别是用于频率ω1和ω2的拉曼射束的传播矢量。因此，通过测量基态集居数，可确定相位差并从而确定g(r)在测量轴上的投影。此外，然后通过用相对加速度除以其中进行加速度测量的两个位置之间的距离来确定加速度梯度。
鉴于上述内容，图1B中所示的重力梯度仪是相当复杂的。如在图中可以看到的，需要多个不同的激光源以创建12个磁光射束、两个拉曼激光束以及荧光探测束。此外，图1B中所述的系统要求将每个磁光阱容纳在单独真空室121和123中。
另外，在美国专利申请序号12/921,519(“'519申请”)中公开了基于冷原子干涉测量的惯性测量的示例。'519申请的干涉仪是基于磁光阱，其将单个角锥逆反射器用于绝对加速度/重力测量。'519申请的系统不能测量重力梯度，并且另外对单个角锥逆反射器中的振动噪声敏感。由于等效原理，任何振动噪声都作为不能与重力信号区别开的噪声出现。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容并不意图识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，其也不意图用作限制要求保护的主题的范围的辅助。
根据下述实施方式，在这里公开了一种冷原子重力梯度仪，其使用单个激光束来执行多次(例如，两次或更多)相对加速度(或者等效地局部重力)测量。更确切地，根据一个或多个实施方式，所述单个激光束可被两个或更多反射器反射而形成原子阱，并且可将同一激光束用于形成原子干涉仪和进行集居数测量。因此，可大大地降低光学系统的复杂性。同样地，大大地简化了光学校准的难度和制造过程的复杂性，因为只需要使几个光学件精确地对准，即用于产生磁光阱的反射器和用于产生逆反射拉曼射束的逆反射器(如下所述，根据所部属的实施方式，该逆反射器可以是角锥反射器的一部分或集成到其中，或者可不这样)。此外，由于一系列反射器的使用，用于每个连续磁光阱的所有射束都从单个激光束产生。换言之，来自单个激光束的6N个俘获射束的产生仅要求N个反射器。此外，可将同一激光束用于拉曼射束、俘获激光束以及荧光检测射束。
一般地，在一个方面，本发明的一个或多个实施方式针对冷原子重力梯度仪系统。该系统包括用于产生沿着传播方向传播的激光束的激光源、第一反射器和第二反射器。第一反射器反射激光束的第一部分并透射激光束的第二部分。第二反射器沿着传播方向与第一反射器在空间上分离，并且第二反射器反射激光束的第二部分。
根据一个变化例，第一反射器可包括：第一反射表面，其被布置成反射激光束的第一部分以产生用于俘获冷原子的第一样本的多个第一俘获激光束；以及中心孔，其布置在第一反射器内，其允许激光束的第二部分透射穿过第一反射器。
根据一个变化例，第二反射器可包括第二反射表面，其被布置成反射激光束的第二部分以产生用于俘获冷原子的第二样本的多个第二俘获激光束。
根据一个变化例，第二反射表面可包括被布置成将激光束的第二部分穿过第一反射器的中心孔逆反射回来的表面。
根据一个变化例，冷原子的第一样本被所述多个第一俘获激光束与激光束的逆反射的第二部分的组合俘获，并且冷原子的第二样本被所述多个第二俘获激光束与激光束的逆反射的第二部分的组合俘获。
根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括将激光束的第三部分穿过第一和第二反射器反射回来的第三反射器。冷原子的第一样本被所述多个第一俘获激光束与激光束的逆反射的第三部分的组合俘获，并且冷原子的第二样本被所述多个第二俘获激光束和激光束的逆反射的第三部分的组合俘获。
根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括用于驱动冷原子的第一和第二样本中的拉曼跃迁的拉曼激光源。拉曼激光束在局部加速度测量方向上传播并穿过第一反射器的中心孔，并且第二反射器沿着该局部加速度测量方向与第一反射器在空间上分离。
根据一个变化例，拉曼激光源是产生沿着传播方向传播的激光束的所述激光源，其具有用于驱动冷原子样本中的拉曼跃迁的修改后频率。
根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括沿着激光束传播方向与第一和第二反射器两者在空间上分离的第三反射器。该第三反射器包括第三反射表面，其反射已穿过第二反射器中的中心孔的激光束的第三部分。第三反射表面反射激光束的第三部分以产生用于俘获冷原子的第三样本的多个第三俘获激光束，并且，所述第三反射表面将激光束的第三部分穿过第一反射器和第二反射器的中心孔逆反射回来。
根据一个变化例，冷原子的第一样本被所述多个第一俘获激光束与激光束的逆反射的第三部分的组合俘获。冷原子的第二样本被所述多个第二俘获激光束与激光束的逆反射的第三部分的组合俘获，并且冷原子的第三样本被所述多个第三俘获激光束与激光束的逆反射的第三部分的组合俘获。
根据一个变化例，冷原子重力梯度仪系统还可包括反射器，其沿着与由背对第一反射器且指向第二反射器的方向限定的方向基本上垂直的方向上与第一反射器在空间上分离。
一般地，在一个方面，本发明的一个或多个实施方式针对冷原子重力梯度仪系统。冷原子重力梯度仪系统包括用于产生沿着传播方向传播的激光束的激光源、第一反射器和第二反射器。第一反射器反射激光束的第一部分。第二反射器反射激光束的第二部分。第二反射器沿着基本上垂直于传播方向的梯度测量方向与第一反射器在空间上分离。
根据一个变化例，传播方向平行于局部重力梯度方向。
根据一个变化例，第一反射器包括第一反射表面，其被布置成反射激光束的第一部分以产生用于俘获冷原子的第一样本的多个第一俘获激光束。第二反射器包括第二反射表面，其被布置成反射激光束的第二部分以产生用于俘获冷原子的第二样本的多个第二俘获激光束。
一般地，在一个方面，本发明的一个或多个实施方式针对用于测量重力梯度的方法。该方法包括产生具有第一失谐的激光束，从第一反射器反射激光束的第一部分以产生多个第一俘获激光束，并穿过布置在第一反射器中的中心孔透射激光束的第二部分。该方法还包括从第二反射器反射激光束的第二部分以产生多个第二俘获激光束和逆反射的俘获激光束，使用与逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第一俘获激光束来形成第一冷原子阱，并且使用与逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第二俘获激光束来形成第二冷原子阱。该方法还包括分别地在第一和第二冷原子阱中俘获冷原子的第一样本和第二样本。
一般地，在一个方面，本发明的一个或多个实施方式针对用于测量重力梯度的方法。该方法包括产生具有第一失谐的激光束，从第一反射器反射激光束的第一部分以产生多个第一俘获激光束，并穿过布置在第一反射器中的中心孔透射激光束的第二部分。该方法还包括从第二反射器反射激光束的第二部分以产生多个第二俘获激光束，并穿过布置在第二反射器中的中心孔透射激光束的第三部分。该方法还包括从第三反射器反射激光束的第三部分以产生多个第三俘获激光束和逆反射的俘获激光束。使用与逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第一俘获激光束来形成第一冷原子阱。使用与逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第二俘获激光束来形成第二冷原子阱。使用与逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第三俘获激光束来形成第三冷原子阱。该方法还包括分别地在第一冷原子阱、第二冷原子阱和第三冷原子阱中俘获冷原子的第一样本、第二样本以及第三样本。
附图说明
图1A—1B分别地图示出重力梯度仪的原理，并示出了冷原子干涉仪的示例。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪系统的示例。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪系统的1D反射器构造的示例。
图4示出了根据本发明的一个或多个实施方式的用于测量局部重力的冷原子重力梯度仪的1D反射器构造的示例。
图5示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的1D反射器构造的示例。
图6示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的示例。
图7示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的示例。
图8A—8B示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的示例。
图9示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的方法的流程图。
图10示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的方法的流程图。
图11示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的方法的流程图。
图12示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的激光器失谐的能级图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细地描述冷原子重力梯度仪的特定实施方式。为了一致性而用相同的附图标记来表示各种图(也称为图)中的相同元件。
在实施方式的以下详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供冷原子重力梯度仪的更透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将而言将显而易见的是可在没有这些特定细节的情况下实施这些实施方式。在其它情况下，未详细地描述众所周知的特征以避免不必要地使本描述复杂化。
一般地，本发明的实施方式涉及一种用于测量空间中的位置处的重力或加速度梯度的系统。更具体地，冷原子重力梯度仪使用冷原子干涉测量法来测量至少两个冷原子样本所经历的局部加速度，并使用这些局部加速度测量结果来计算空间位置处的加速度(或重力)梯度或加速度(或重力)曲率。此外，在冷原子传感器内部的反射器被构造成使得可使用单个拉曼激光束来同时地或几乎同时地测量两个样本。
可针对重力或加速度测量将冷原子重力梯度仪部属在诸如与地球物理和惯性导航领域相关的振动噪声环境中。然而，可在其中认为局部加速度或局部加速度梯度的测量有价值的任何情况下部属冷原子重力梯度仪。
一般而言，详述根据一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的下述结构是多功能的，并且可用用于俘获和冷却原子的许多不同技术和用用于冷原子干涉测量的许多不同技术来部属。因此，在具体地提及一个或多个已知的原子冷却和/或原子干涉测量技术时，仅仅作为可与根据一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪一起使用的此类技术的示例而阐述这些技术。因此，本发明不限于仅在这里公开的特定示例性原子俘获和干涉测量技术。可使用用于原子俘获和冷却和/或冷原子干涉测量的任何已知技术来部属冷原子重力梯度仪的其他实施方式。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子梯度仪系统的示例。冷原子梯度仪系统201包括真空室或器皿203、激光源207、光学系统209以及探测器211和213。两个冷原子干涉仪215和217容纳在器皿203中。此外，该冷原子干涉仪被配置成测量沿着测量方向219上两个点221和223处的局部加速度。然后可以通过对由两个冷原子干涉仪测量的局部加速度做减法并将该差除以两个点221和223之间的距离z来确定沿测量方向219的局部重力梯度。
光学系统209包括对激光束231成形所需的并在必要时从激光源207的线性偏振输出创建圆形偏振射束的任何光学部件。例如，光学系统209可包括望远镜209c(在这里为了简单起见描绘为单透镜)和四分之一波片209b。本领域的技术人员将认识到对激光束231成形所需的精确光学件可根据系统的设计约束而改变。例如，扩束望远镜的数值孔径和焦距由射束的所需输出尺寸和从各激光源207接收到的射束的输入尺寸确定。此外，光学件的类型还可取决于射束的强度、射束的频率或激光源207的各输出偏振。此外，根据一个或多个实施方式，可使用空间滤波器来设计激光束231的强度分布。例如，可在光学系统209内采用空间滤波器(未示出)，其创建具有与单模式激光器的更典型的高斯强度分布不同的“平顶”或“顶帽”强度分布的输出激光束231a。
激光源207是产生激光束231的激光系统，其包括用于磁光俘获冷原子(例如冷原子227和229)的样本的所需频率、用于驱动冷原子的样本中的拉曼跃迁的所需频率以及用于驱动冷原子样本中的用于基于荧光的集居数测量的循环跃迁的所需频率。图12示出了实现用于假定三级原子系统的所有上述任务所需的频率的示例，其一般地用来对被用于冷原子干涉测量的碱性原子的电子结构进行建模。因此，激光源207是频率稳定多频激光器，其在分别地用于俘获和冷却、驱动拉曼跃迁(干涉测量)以及荧光(集居数测量)检测的第一失谐、第二失谐以及第三失谐之间具有可调谐频率，如下面更详细地描述的。此外，激光源207可在用于磁光俘获的双频、频率稳定状态与用于驱动拉曼跃迁的双频锁相状态之间切换。更具体地，根据一个或多个实施方式，在拉曼构造中，激光束231由一对锁相激光束构成，其频率通过被俘获的原子的基态超精细分裂而被分离。根据一个或多个实施方式，两个频率在相位方面是从动的，使得在测量时间期间引发的相位误差小于一个弧度。
在干涉测量序列期间，可以许多不同的方向和时间配置来以脉冲发射激光束231。根据一个或多个实施方式中，在如上文参考图1B所述的(π/2-π-π/2)三脉冲序列中以脉冲发射射束。本领域的技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下，可使用许多不同类型的脉冲序列来产生不同几何结构的冷原子干涉仪。例如，B.Canuel等人在PhysicalReview Letters 97,010402(2006)中的“Six Axis Inertial Sensor Using Cold-AtomInterferometry”公开了使用(π/2-π-π-π/2)的四脉冲序列以便创建所谓的“蝴蝶”干涉仪。
本领域的技术人员将认识到可使用激光束231来俘获许多不同类型的原子，并且根据所俘获的原子的特定类型，存在于激光束231中的频率可改变。例如，为了俘获铷-87(87Rb)，激光束231可以是双频激光束，其包括在原子循环跃迁附近(或者更一般地在共振线附近)调谐的两个频率，这两个频率通过约ωhyperfin＝6,800MHz的基态超精细分裂而分离。此外，不同的原子拥有不同的基态超精细分裂，并且因此，激光束231中的两个频率之间的精确频率间隔将取决于被俘获的原子种类。
一旦激光束231已被成形并适当地偏振，则其被导向器皿203的入口观察孔251a。根据一个或多个实施方式，器皿203可以是金属真空室，例如由钛、不锈钢、铝等形成的室。另外，可如在本领域中已知的那样制造该器皿，并且其还可包括具有用于附着不同的各台设备的CF法兰(conflat flange)的几个端口，包括观察孔(例如，观察孔251a、251b以及251c)、各种量规、泵或其它诊断设备(未示出)。在不脱离本发明的范围的情况下可使用许多不同类型的真空室或器皿，包括例如玻璃槽器皿。
此外，可将器皿203耦合到用于提供稀释原子蒸气的源的原子源(未示出)。例如，原子源可包括处于固体、例如金属相的原子材料的储器。根据一个或多个实施方式，将固体加热并进行温度控制从而向器皿203中发射处于蒸气(气体)相的原子以便被冷原子干涉仪215和217的磁光阱俘获和冷却。在另一示例中，可通过光致原子脱附(LIAD)、例如通过用紫外线来照射固体原子源来产生原子蒸气。本领域的技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下，可采用许多不同类型的原子源。
在器皿203内部容纳了一对冷原子干涉仪215和217。冷原子干涉仪215包括反射器233(在图2中以截面图示出)，其沿着测量方向219定位，并且具有基本上面对器皿203的入口观察孔251a的反射表面235。根据一个或多个实施方式，反射表面235是截顶角锥形状的，从而产生一组俘获激光束并对入射在反射表面235上的激光束231的部分231b进行逆反射。在干涉仪215中，由已从反射表面235反射的激光束231的部分231b与由电磁体线圈对237产生的磁梯度场的组合形成磁光阱。更具体地，到达反射表面235的俘获激光束231的部分231b被从反射表面235的截顶角锥形状的五个反射表面中的每一个反射，如下面参考图3更详细地描述的。
冷原子干涉仪217包括反射器241(在图2中以截面图示出)，其沿着测量方向219定位，并且具有基本上面对器皿203的入口观察孔251a的反射表面243。因此，根据一个或多个实施方式，测量方向219是将反射器233的视在顶点(apparent apex)233a与截顶角锥反射器241的视在顶点241a相连的线。根据一个或多个实施方式，反射表面243是截顶角锥形状的，从而对入射在反射表面243上的激光束231的部分231a进行逆反射。在干涉仪217中，由已从反射表面243反射的激光束231的部分231a与从反射表面235的顶面235a反射的激光束231的逆反射部分231b的组合形成六个相向传播的原子俘获激光束。
此外，与由电磁体线圈对245产生的磁梯度相组合的俘获激光束的作用形成磁光阱。更具体地，到达反射表面243的激光束231的部分231a由于反射表面243的截顶角锥形状而经历多次反射。此外，根据一个或多个实施方式，激光束231的部分231b穿过反射器241的中心孔241a。俘获激光束225的此部分231b用于在反射器233处产生用于磁光俘获的俘获激光束。因此，根据本发明的一个或多个实施方式，只需要单个激光束231来产生用于干涉仪215和217两者的全部12个磁光俘获射束。
更一般地，反射器的反射表面可具有大体上凹面形状，使得入射激光束、例如231a或231b及其在反射器的面上的反射可以在反射器的容积中捕捉原子。根据一个或多个实施方式，在不脱离本公开的范围的情况下，反射器233的反射表面可具有圆锥、角锥、截顶圆锥或截顶角锥形状(也分别称为截头圆锥和截头角锥)。根据一个或多个实施方式，反射器可以具有角锥形状，其具有正方形或截顶角锥截面，使得入射激光束、例如231b及其逆反射可以在反射器233的容积中捕捉原子。
根据一个或多个实施方式，可将反射器布置成使得逆反射激光束(例如，已从其各反射器反射回来并因此通过系统反向地传播回来的部分231a和231b)具有与激光束231a、231b的偏振相同的偏振，从而促进获得原子干涉仪测量结果。为此，反射器可具有截头圆锥或截顶角锥形状，其具有垂直于入射激光束方向的平坦表面，并且该平坦表面已接收到适当的电介质涂层，因此逆反射激光束具有与入射激光束的偏振相同的偏振。
图3示出了此类反射器的透视图示例。反射器233具有反射表面235，其具有大体上截顶角锥形状。更具体地，反射表面235包括两个相对面235b和235c及两个其它相对面235d和235e。另外，反射表面235包括逆反射表面235a。因此，反射表面235在x-y平面中产生两对相向传播的俘获激光束，其在俘获区236中交叉。此外，激光束231的部分231b被逆反射表面235a逆反射而在z方向上产生一对相向传播的俘获激光束。因此，冷原子被磁光俘获在俘获区236中，并且反射器233用于产生所需俘获激光束以在截顶角锥反射器的容积内捕捉原子。此外，反射器233还用于在激光束的失谐如下面参考图9—11详述的那样被设置成驱动拉曼跃迁时在逆反射表面235a处用激光束231的逆反射部分231b产生逆反射拉曼激光束。
反射器241的反射表面243可具有带有中心孔的大体上凹面形状，使得入射激光束、例如231a、其在反射器的面243a、243c、243d、243e上的反射和从反射表面236逆反射的逆反射射束231b可以在反射器的容积中捕捉原子。根据一个或多个实施方式，反射器的反射表面可具有带有正方形截面的截顶角锥形状。
图3示出了具有反射表面243的反射器241的透视图，该反射表面243具有带有从其中穿过的中心孔的大体上截顶角锥形状。更具体地，反射表面243包括相对面243b和243c及两个其它相对面243d和243e。因此，反射表面243在x-y平面中产生两对相向传播的俘获激光束，其在俘获区246中交叉，在那里磁光地俘获冷原子。因此，反射器241用于产生六个所需激光束中的4个以在截顶角锥反射器的容积内捕捉原子。此外，当激光束的部分231b(已经穿过中心孔241a透射)被从反射器233的表面235a逆反射时创建第五射束。第六射束是部分231a本身。
有利地，与反射器233串联地采用具有从其中穿过的中心孔241a的截顶角锥反射器241允许使用仅一个入射激光束231产生两个在空间上分离的磁光阱。根据一个或多个实施方式，使用这两个磁光阱来产生将在基于双光子拉曼跃迁使用原子干涉测量法的两次空间分离局部加速度测量中使用的两个冷原子源，如在本领域中已知且上文参考图1B所述的。
根据一个或多个实施方式，可将两个反射器233和241刚性地安装在器皿203内。例如，可将反射器安装到CF法兰，CF法兰本身被安装到真空室内的入口孔。
返回图2，根据以下程序来完成实际局部加速度测量。首先，如上所述，由其相应的磁光阱产生冷原子样本227和冷原子样本229。然后，将激光束和梯度线圈关断，并且两个冷原子样本经历达预定时间的自由落体。在已经历预定时间之后，冷原子样本227和229已分别地下落至位置221和223。然后，将激光束231的频率变成用于驱动双光子拉曼跃迁的第二失谐。然后以脉冲发射激光束231以在位置221和223处产生两个冷原子干涉仪。例如，从激光束231产生的两个相向传播的拉曼射束和来自反射器233的部分231b的反射与两个原子云都交叉。因此，拉曼脉冲序列用于同时地或基本上同时地创建两个空间分离的冷原子干涉仪。
在干涉测量脉冲序列完成之后，询问两个冷原子样本以测量来自原始冷原子样本的处于一个或多个基态次能级的原子的数目和/或分数，从而允许计算在干涉测量序列期间由每个冷原子云经历的局部加速度，如在本领域中已知的。根据一个或多个实施方式，可通过在激光束231的频率变成第三失谐以驱动冷原子中的循环跃迁之后检测由被激光束231照射之后的冷原子样本发射的荧光249和247来测量基态集居数。更具体地，激光束231的第三失谐几乎为零，使得激光束231被调谐至与被俘获的冷原子的循环跃迁共振或几乎谐振。例如，当使用87Rb原子作为被俘获原子时，可将探测激光束的频率调谐至5 2S1/2 F＝2→5 2P3/2 F’＝3跃迁。根据一个或多个实施方式，由探测器211和213来测量荧光。探测器211和213可以是本领域中已知的任何光探测器，包括例如光电二极管、基于CMOS或CCD技术的数字式照相机以及光电倍增管等。
技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下，可使用任何已知拉曼脉冲序列来产生冷原子干涉仪，并且可使用任何已知计算方法基于荧光信号来计算每个冷原子样本处的局部加速度。例如，可使用上文参考以上图1所述的(π/2-π-π/2)三拉曼脉冲序列。
虽然上文将激光源207简单地描述为单一激光源，但技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下可以许多方式来产生此多频激光器。例如，两个或更多单独激光器可一起从动，并使其输出光束在空间上重叠以产生多频激光源。另外，可使用声光或电光调制器从单个源产生多个频率；或者可使用电流调制来在固态激光器中产生多个频率。因此，激光源207不限于单个激光器，而是意图示意性地表示具有多个频率的任何已知激光源。
图4示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪的示例。更具体地，图4示出了除垂直重力梯度的二阶导数(或局部重力场的曲率)之外还可用来测量垂直重力梯度的反射器架构。这里所示的构造与图2中所示的之间的主要差别是在反射器433(例如与图2中的反射器233类似)与具有中心孔441a的截顶角锥反射器441(例如与图2中的反射器241类似)之间插入了具有中心孔401a的第二截顶角锥反射器401。因此，可使用上文参考图2所述的相同单一激光束构造来完成三次空间分离的局部加速度测量。更确切地，如上所述，可使用原子干涉测量技术来测量每个冷原子样本421、423、425所经历的沿着测量方向的垂直加速度。因此，在释放和自由落体之后，可确定冷原子样本421a和423a之间、421a和425a之间和/或423a和425a之间的重力梯度。然后可对计算的重力梯度做减法以获得重力曲率。虽然在图4中示出了三个反射器，但技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下可使用任何数目的反射器。
重力梯度实际上是由下式给定的张量
在上述内容中，沿着平行于局部重力方向(即，冷原子云的自由落体的方向)的方向来测量重力梯度。因此，上述设备对1-D梯度测量、例如对的测量有用。然而，根据一个或多个实施方式的冷原子重力梯度仪不受此限制。根据其它实施方式，在不脱离本公开的范围的情况下，可将单独反射器布置成测量重力梯度的任何分量。例如，如图5中所示，可将两个反射器501和503布置成在x或y方向上、即沿着基本上垂直于局部重力(或局部自由落体)方向的任何方向在空间上分离。此类设备将允许测量和/或此外，可通过如图6中所示地构造反射器来完成2D重力梯度测量。在图6中，在x-y平面中布置三个反射器601、603和605，因此允许获取和两者。此外，如果图6中所示的反射器中的一个或多个包括如上文在图2中所述的z方向上的两个反射器构造(即，与图6中所示的反射器中的一个或多个成一直线的从页面出来的一个或多个反射器)，则值也是可获取的。
图7示出了根据本发明的一个或多个实施方式的反射器的构造。更具体地，图7示出了与图2—3中所示的非常类似的构造。然而，在这种情况下，截顶角锥反射器701由部分反射材料形成。因此，与图2—3中所示的示例相比，俘获激光束的更大部分被透射到截顶角锥反射器703。因此，可使用更大的截顶反射器703。此外，图7中所示的部分反射构造允许系统架构中的更好对称性，因为捕捉容积在两个俘获区中是相同的。
图8A—8B是根据本发明的一个或多个实施方式的反射器的两个可能构造。更具体地，图8A—8B示出了根据一个或多个实施方式的可用来测量重力梯度的反射器架构。图8A—8B中所示的反射器布置与上文在图2中所述的几乎相同，并且因此在这里将为了紧凑起见而不描述重复元件。然而，图8的架构采用与截顶角锥反射器805分离且不同的逆反射镜803。此逆反射镜可接收电介质涂层，使得逆反射激光束具有与入射激光束的偏振相同的偏振。替换地，可使用四分之一波片，使得逆反射激光束具有与入射激光束的偏振相同的偏振。因此，不仅第一反射器807具有用于从其穿过来透射激光束的一部分的中心孔807a，而且第二反射器805也具有用于从其穿过来透射激光束的第二部分的中心孔805a。因此，在本实施方式中，使用从逆反射镜803逆反射的激光束部分作为轴向俘获射束中的一个且作为反向传播拉曼射束。此替换布置提供了获得用于逆反射射束的更好的波前质量的可能，该波前质量为用于仪表性能的关键参数。此布置还在所有光学件和真空元件的定位方面提供了更大的灵活性。此外，如图8A—8B中所示，设备可与局部重力场平行或反平行而定位，并且仍避免了自由落体的冷原子样本可能与反射器807和805的反射表面碰撞的缺点。相反地，自由落体原子样本可穿过中心孔805a和807a而下落。
图9—11示出了表示根据本发明的一个或多个实施方式的用于测量重力梯度的方法的流程图。虽然按照连续顺序描述了下面展示的步骤，但不需要一定按照特定序列或所示时间顺序来执行步骤。例如，根据一个或多个实施方式，形成第一和第二冷原子阱不需要比激光束传播通过光学系统所需的时间更多的时间。在大多数情况下，此传播时间是可忽略的，并且可将阱理解成同时地或者基本上同时地形成。在其它实施方式中，对磁光阱的电磁线圈、例如线圈237和235中的电流的控制允许在任何时间、一次一个地、按照任何时间序列或者同时地加载两个阱，如上所述。
此外，在下面展示的方法中，不一定详细地描述众所周知的步骤。例如，技术人员将认识到在执行使用原子干涉仪的局部加速度测量之前，应将尽可能多的原子样本的原子泵浦到相同内部状态。为实现此，通常在磁光阱阶段之后但是在干涉仪阶段之前执行光学粘胶(optical molasses)和光学泵浦的众所周知的方法。例如，可首先将原子的样本以光学方式泵浦到F＝2状态。然后，施加磁偏场，并且使用电磁脉冲使得原子从F＝2、mF＝0转移至F＝1、mF＝0状态。最后，用被失谐至原子跃迁的蓝色的激光脉冲来轰开仍保持在F＝2mF次能级的任何一个中的任何原子，其中，失谐是自然线宽的1-2倍。因此，在此程序之后，仅留下处于F＝1、mF＝0状态的原子。技术人员将认识到存在用于制备原子的状态选择样本的许多不同方法，并且因此本发明不限于以上展开的示例性描述。
图9示出了根据本发明的一个或多个实施方式的用于供在用于测量重力梯度的方法中使用的冷原子俘获方法的流程图。在步骤901中，产生具有第一失谐的激光束。可根据本领域中的任何已知方法来产生激光束，例如通过将固态激光器锁频至蒸气腔体等。因此，本发明的一个或多个实施方式不限于特定类型的激光源，也不限于频率稳定的特定方法。此外，如这里所使用的激光束的失谐被定义成是激光束的频率与基准原子跃迁的频率之间的差。例如，根据一个或多个实施方式，可设定激光失谐，从而在反射器的俘获区中有效地俘获并冷却原子，如上文参考图2所述。
例如，根据一个或多个实施方式，可使用87Rb作为被俘获原子种类。因此，在本示例中，用来参考所有激光器失谐的循环跃迁可以是5 2S1/2 F＝2→5 2P3/2 F’＝3原子跃迁。使用图12中的能级图作为示例，用|2>状态来表示5 2S1/2 F＝2基态，并且用频率差Δtrap来表示第一失谐。技术人员将认识到的是由于基态超精细结构，5 2S1/2 F＝2→5 2P3/2 F’＝3跃迁并不是完美的循环跃迁。因此，被用于俘获87Rb的激光束是双频，第一频率从5 2S1/2 F＝2→5 2P3/2 F’＝3跃迁失谐，并且第二频率从5 2S1/2 F＝1→5 2P3/2 F’＝2跃迁失谐。使用图12中的能级图作为示例，用状态|1>来表示2S1/2 F＝1基态。在此图中，为了简单起见而忽视被激励的2P3/2状态的超精细分裂。实际上，此分裂与基态分裂相比是小的。
另外，双频激光器的每个频率的失谐Δtrap在图12中被示为是相等的。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，该失谐可以是不同的。因此，在这里使用术语失谐来包括多频激光束的一个或多个失谐，其中，失谐中的一个或多个可以相等，如图12上所示，或者是不相等的，视情况而定。此外，虽然在这里使用87Rb的示例，但在不脱离本公开的范围的情况下可使用任何原子。技术人员将认识到除将需要存在于产生的激光束中的不同频率的数目之外原子种类还将确定激光束频率。技术人员还将认识到失谐Δtrap的精确值并非对于所有应用而言都是精确地固定的，而是根据冷原子样本的期望性质来选择，例如根据温度、密度、总数等。在大多数情况下，可将失谐Δtrap设定成约为被驱动的原子跃迁的自然线宽，即在自然线宽的0.1—20倍范围内。根据一个或多个实施方式，用于原子的最佳俘获的失谐为自然线宽的约2倍。
返回图9，在步骤903中，具有第一失谐的激光束的第一部分被从第一反射器反射而产生多个第一俘获激光束，如上所示和所述，例如参考图2-4和7-8，其中，第一反射器的示例被示为反射器241。第一反射器的其它示例包括反射器501和反射器601，分别地如图5和6中所示。在步骤905中，穿过第一反射器的中心孔透射激光束的第二部分，例如，如图1-8中所示。根据一个或多个实施方式，除穿过反射器中的中心孔透射激光束的第二部分之外，还可通过反射器本身的反射表面透射第二部分。换言之，第一反射器可以是部分反射的，如图7的反射器701所示。
在步骤907中，激光束的第二部分被从第二反射器反射而产生多个第二俘获激光束和逆反射俘获激光束。上文参考图2、3和7示出并描述了进行操作以产生多个第二俘获激光束和逆反射俘获激光束的第二反射器的示例。
在步骤909中，使用所述多个第一俘获激光束和逆反射的俘获激光束的组合来形成第一冷原子阱。例如，如上文参考图2所述，所述多个第一俘获激光束和逆反射的俘获激光束可形成用于产生第一磁光阱的三对相向传播激光束。
在步骤911中，使用所述多个第二俘获激光束和逆反射的俘获激光束的组合来形成第二冷原子阱。例如，如上文参考图2所述，所述多个第二俘获激光束和逆反射的俘获激光束可形成用于产生第二磁光阱的三对相向传播激光束。
在步骤913中，冷原子的第一和第二样本在第一和第二冷原子阱中被俘获，例如在冷原子干涉仪215和217的磁光阱中，如图2中所示。在图3-8中示出了在磁光阱中俘获的冷原子的第一和/或第二样本的其它示例。
因此，如上所述，可仅用具有第一失谐的单个产生激光束和两个反射器来产生两个磁光阱。不需要复杂的光学装置来产生十二个单独射束中的每一个；相反地，单个射束从第一和第二反射器反射回来用于在不需要任何附加光学件的情况下产生用于第一和第二磁光阱的所有所需射束。
图10示出了表示根据本发明的一个或多个实施方式的用于测量重力梯度的方法的流程图。更具体地，图10示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的用于测量重力梯度的冷原子干涉测量方法的流程图。图10假定先前已制备冷原子的至少两个样本，例如根据上文参考图9所述的方法或者根据其它已知俘获和冷却技术。在步骤1001中，将在步骤901中产生的激光束关断以将第一和第二冷原子样本分别地从第一和第二冷原子阱释放。因此，由于俘获力(或电位)的缺乏，冷原子的样本在重力下自由地下落，即冷原子的样本经历自由落体。在步骤1003中，将激光束的频率变成第二失谐。使用图12作为示例，将激光束的失谐变成ΔRaman。另外，将存在于激光束中的两个频率锁相以确保两个激光束之间的频率差稳定至ωhyperfine，在被俘获冷原子的两个超精细基态之间的分裂。因此，可使用激光束来在两个基态|1>和|2>之间驱动双光子拉曼跃迁。例如，此拉曼构造中的激光束的作用允许原子在|1>和|2>状态之间的相干集居数传递，并且还允许产生在状态|1>和|2>的相干叠加中的原子，如在本领域中已知的。
在步骤1005中，以脉冲发射激光束以从冷原子的第一样本和第二样本产生第一冷原子干涉仪和第二冷原子干涉仪。例如，可连续三次以脉冲发射激光束，调谐每个脉冲的持续时间从而驱动(π/2-π-π/2)脉冲序列。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域的技术人员将认识到可使用许多不同类型的脉冲序列来产生不同几何结构的冷原子干涉仪。例如，B.Canuel等人在Physical Review Letters 97,010402(2006)中的“Six Axis InertialSensor Using Cold-Atom Interferometry”公开了使用(π/2-π-π-π/2)的四脉冲序列以便创建所谓的“蝴蝶”干涉仪。
在完成干涉仪脉冲序列后，将激光束的频率变成第三失谐Δfluor以准备基态集居数测量。例如，使用图12作为示例，第三失谐可以是与5 2S1/2 F＝2→5 2P3/2 F’＝3循环跃迁共振或者几乎共振的失谐。换言之，Δfluor≈0。在步骤1009中，以脉冲发射激光束以从第一原子干涉仪获得第一集居数测量结果并从第二原子干涉仪获得第二集居数测量结果。如在本领域中已知的，基于冷原子样本响应于激光束脉冲的荧光来确定基态集居数、即处于|1>状态、|2>状态或两者的原子的数目。技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下可部属集居数测量的其它方法，包括例如吸收成像、相位对比成像或对超冷原子进行成像的任何其它已知方法。
在步骤1011中，基于在第一集居数测量中测量的集居数来计算第一局部加速度。如上所述，存在于基态的原子的数目取决于干涉仪支腿中的原子之间的相位差，并且可使用关系式来找到，其中，P是原子处于基态的概率，为加速度引起的相移的函数。对于以速率g(r)加速的原子而言，其中，T是连续拉曼射束脉冲之间的时间，并且和分别是用于频率ω1和ω2的拉曼射束的传播矢量。因此，通过测量基态集居数，可确定相位差并从而确定在测量轴上的局部加速度的投影或者等效地g(r)的投影。技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下可使用用于从集居数测量来计算相位差的其它方法。因此，上文展开的公式仅仅充当一个示例。
在步骤1013中，以与上文在步骤1011中所述的相同的方式基于第二冷原子样本中的原子的基态集居数测量来计算第二局部加速度。
在步骤1015中，基于第一和第二局部加速度来计算重力梯度。例如，要计算重力梯度，用第二局部加速度减去第一局部加速度，并且将此差除以两个干涉仪之间的距离。以这种方式，将把干涉仪本身的任何加速度或者例如由于设备本身的振动而在每个加速度信号上引发的任何噪声作为共模噪声而减去。
技术人员将认识到，可使用任何已知的数据控制或采集系统来采集集居数测量结果并执行进行重力梯度测量所需的校准、控制以及计算。典型的控制/采集系统将包括多个模拟和/或数字输入和输出线一个或多个处理器和关联存储器。例如，如上文参考图2所述，可用光电探测器来采集荧光测量结果。这些光电探测器是能够将光信号转换成电信号的任何探测器。因此，可将光电探测器电连接到控制/采集系统并配置成向控制/采集系统发射原始荧光电信号，其中，可处理此荧光电信号并转换成局部加速度，如本领域中已知的。
图11示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的用于测量重力梯度的方法的流程图。更具体地，图11示出了描述根据本发明的一个或多个实施方式的用于供在用于测量重力梯度的方法中使用的冷原子俘获方法的流程图。
在步骤1101中，以与上文参考图9所述的类似的方式产生具有第一失谐的激光束。在步骤1103中，以与上文参考图9所述类似的方式，激光束的第一部分被从第一反射器反射以产生多个第一俘获激光束。在步骤1105中，以与上文参考图9所述类似的方式，穿过布置在第一反射器中的中心孔透射激光束的第二部分。在步骤1107中，以与上文参考图9所述类似的方式，激光束的第二部分被从第二反射器反射以产生多个第二俘获激光束。在步骤1109中，穿过布置在第二反射器中的中心孔透射激光束的第三部分。在例如图4和8中示出了允许激光束的第三部分的透射的反射器的示例。第三部分被以与第二部分通过第一反射器被透射的方式类似的方式透射。
在步骤1111中，激光束的第三部分被从第三反射器反射以产生逆反射的俘获激光束。根据一个或多个实施方式，第三反射器可以是平面逆反射镜，其用于穿过第一和第二反射器中的孔将激光束的第三部分反射回来。在图8中示出了此类反射器的示例。另外，根据一个或多个实施方式，第三反射器可以是截顶角锥反射器，从而除逆反射激光束之外还产生多个第三俘获激光束。因此，在采用在形状方面为截顶角锥的第三反射器的实施方式中，可以与第一和第二冷原子阱类似的方式形成第三冷原子阱。在图4中示出了此类布置。
返回图11，在步骤1113中，使用与逆反射激光束相组合的所述多个第一俘获激光束来形成第一冷原子阱。同样地，在步骤1115中，使用与逆反射激光束相组合的所述多个第二俘获激光束来形成第二冷原子阱。可选地，如果第三反射器具有截顶角锥形状，则使用与逆反射激光束相组合的所述多个第三俘获激光束来形成第三冷原子阱。根据一个或多个实施方式，在不脱离本公开的范围的情况下可以上述方式形成任何数目的冷原子阱。
在步骤1117中，分别在第一和第二冷原子阱中俘获冷原子的第一和第二样本。可选地，如果第三反射器是截顶角锥类型的，还可在第三冷原子阱中俘获冷原子的第三样本。
此外，根据包括至少三个冷原子阱的一个或多个实施方式，可以以下方式修改上述系统和方法来计算作为距离的函数的重力梯度的变化，换言之，计算重力场的第二导数，在这里称为重力曲率。例如，以与上文参考图10所述类似的方式，可计算每个干涉仪处的局部加速度。例如，可使用被第一反射器俘获的冷原子的第一样本上的原子干涉测量来计算第一局部加速度，可使用被第二反射器俘获的冷原子的第二样本上的原子干涉测量来计算第二局部加速度，并且可使用被第三反射器俘获的第三样本原子上的原子干涉测量来计算第三局部加速度。然后可通过计算梯度差基于第一、第二以及第三局部加速度来计算重力曲率。通过用第一局部加速度和第三局部加速度之间的差减去第一局部加速度和第二局部加速度之间的差来计算梯度差。为了获得重力曲率，将梯度差除以第一和第三干涉仪之间的间隔。更明确地，如果第一和第二冷原子样本(分开距离δz1)之间的第一重力梯度是且第二和第三冷原子样本(分开距离δz2)之间的第二重力梯度是则重力曲率由给定。受益于本公开的技术人员将认识到在不脱离本公开的范围的情况下还可由具有任何数目的冷原子干涉仪的设备以类似方式测量重力场的高阶导数。此外，具有超过两个冷原子干涉仪还允许例如在第一和第二冷原子样本之间、第一和第三冷原子样本之间或第二和第三冷原子样本之间完成多次不同的重力梯度测量。
根据上述实施方式，在这里公开了一种冷原子重力梯度仪，其使用单个激光束来执行多次(例如，两次或更多)相对加速度(或局部重力)测量。更确切地，根据一个或多个实施方式，可将同一激光束用于原子阱、原子干涉仪以及集居数测量。因此，可大大地降低光学系统的复杂性。同样地，大大地简化了光学校准的难度和制造过程的复杂性，因为只需要使几个光学件精确地对准，即用于产生磁光阱的反射器和用于产生逆反射拉曼射束的逆反射器(如下所述，根据所部属的实施方式，该逆反射器可以是角锥反射器的一部分或集成到其中，或者可不这样)。此外，由于也拥有用于使激光束穿过的中心孔的一系列角锥反射器的使用，从单个激光束产生用于每个连续磁光阱的鄋射束。换言之，来自单个激光束的6N个俘获射束的产生仅要求N个角锥反射器。此外，由于激光束的一部分穿过每个连续反射器中的每个连续孔，所以可将同一激光束用于拉曼射束、俘获激光束以及荧光检测射束。
由于该系统仅要求一个激光束，所以还简化了容纳反射器的真空室的设计。至少，此室要求用于接收激光束的仅一个观察孔和用于荧光采集的可选地附加观察孔。此外，可将所有原子阱容纳在同一真空室内，从而除泵浦出该室之外所需的真空系统的设计之外，还降低了室的设计的复杂性。
虽然已针对有限数目的实施方式描述了本发明，但受益于本公开的本领域的技术人员将认识到可以设计不脱离如在这里公开的本发明的范围的其它实施方式。因此，应仅由所附权利要求来限制本发明的范围。

Claims (22)

1.一种冷原子重力梯度仪系统，包括：
激光源(207)，所述激光源产生沿着传播方向传播的激光束；
第一反射器(241、441、701、807)，所述第一反射器反射所述激光束的第一部分并透射所述激光束的第二部分；以及
第二反射器(233、401、703、805)，所述第二反射器沿着所述传播方向与所述第一反射器在空间上分离，其中，所述第二反射器反射所述激光束的所述第二部分的至少一部分，
其中，所述第一反射器包括：
第一反射表面(243)，所述第一反射表面被布置成反射所述激光束的所述第一部分以产生用于俘获冷原子的第一样本的多个第一俘获激光束；以及
中心孔(241a)，所述中心孔布置在所述第一反射器内，所述中心孔允许所述激光束的所述第二部分透射穿过所述第一反射器。
2.根据权利要求1所述的冷原子重力梯度仪系统，其中，所述第二反射器(233)包括第二反射表面(235)，所述第二反射表面被布置成反射所述激光束的所述第二部分以产生用于俘获冷原子的第二样本的多个第二俘获激光束。
3.根据权利要求2所述的冷原子重力梯度仪系统，其中，所述第二反射表面包括被布置成将所述激光束的所述第二部分穿过所述第一反射器(241)的所述中心孔(241a)逆反射回来的表面。
4.根据权利要求2所述的冷原子重力梯度仪系统，还包括：
第三反射器(803)，所述第三反射器将所述激光束的第三部分穿过所述第一和第二反射器(807、805)反射回来；并且
其中，冷原子的所述第一样本被所述多个第一俘获激光束与所述激光束的逆反射的第三部分的组合俘获，
其中，冷原子的所述第二样本被所述多个第二俘获激光束与所述激光束的所述逆反射的第三部分的组合俘获。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的冷原子重力梯度仪系统，还包括：
拉曼激光源，用于驱动冷原子的所述第一样本和所述第二样本中的拉曼跃迁，
其中，所述拉曼激光束在局部加速度测量方向上传播并穿过所述第一反射器的所述中心孔，
其中，所述第二反射器沿着所述局部加速度测量方向与所述第一反射器在空间上分离。
6.根据权利要求5所述的冷原子重力梯度仪系统，其中，所述拉曼激光源是产生沿着传播方向传播的激光束的所述激光源，所述拉曼激光源具有用于驱动冷原子的样本中的拉曼跃迁的修改后频率。
7.根据权利要求2所述的冷原子重力梯度仪系统，还包括：
第三反射器(433)，所述第三反射器沿着所述激光束传播方向与所述第一和第二反射器(441、401)两者在空间上分离，
其中，所述第三反射器包括第三反射表面，所述第三反射表面反射已穿过所述第二反射器(401)中的中心孔(401a)的所述激光束的第三部分，
其中，所述第三反射表面反射所述激光束的所述第三部分以产生用于俘获冷原子的第三样本的多个第三俘获激光束，并且
其中，所述第三反射表面将所述激光束的所述第三部分穿过所述第一反射器和所述第二反射器的所述中心孔逆反射回来。
8.根据权利要求7所述的冷原子重力梯度仪系统，
其中，冷原子的所述第一样本被所述多个第一俘获激光束与所述激光束的逆反射的第三部分的组合俘获，
其中，冷原子的所述第二样本被所述多个第二俘获激光束与所述激光束的所述逆反射的第三部分的组合俘获，并且
其中，冷原子的所述第三样本被所述多个第三俘获激光束与所述激光束的所述逆反射的第三部分的组合俘获。
9.根据权利要求3所述的冷原子重力梯度仪系统，
其中，冷原子的所述第一样本被所述多个第一俘获激光束与所述激光束的逆反射的第二部分的组合俘获，
其中，冷原子的所述第二样本被所述多个第二俘获激光束与所述激光束的所述逆反射的第二部分的组合俘获。
10.根据权利要求1-4、7-9中任一项所述的冷原子重力梯度仪系统，还包括反射器，所述反射器沿着与由背对所述第一反射器且指向所述第二反射器的方向限定的方向基本上垂直的方向上与所述第一反射器在空间上分离。
11.一种测量重力梯度的方法，包括：
产生具有第一失谐的激光束；
从第一反射器反射所述激光束的第一部分以产生多个第一俘获激光束；
穿过布置在所述第一反射器中的中心孔透射所述激光束的第二部分；以及
从第二反射器反射所述激光束的所述第二部分以产生多个第二俘获激光束和逆反射的俘获激光束；
使用与所述逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第一俘获激光束来形成第一冷原子阱；
使用与所述逆反射的俘获激光束相组合的所述多个第二俘获激光束来形成第二冷原子阱；
在所述第一冷原子阱和所述第二冷原子阱中分别俘获冷原子的第一样本和第二样本。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
关断所述激光束以释放第一冷原子样本和第二冷原子样本；
将所述激光束的频率变成第二失谐；
以脉冲发射所述激光束以从冷原子的所述第一样本和所述第二样本产生第一冷原子干涉仪和第二冷原子干涉仪；
将所述激光束的频率变成第三失谐；
以脉冲发射所述激光束以从所述第一冷原子干涉仪获得第一集居数测量结果并从所述第二冷原子干涉仪获得第二集居数测量结果；
基于所述第一集居数测量结果来计算第一局部加速度；
基于所述第二集居数测量结果来计算第二局部加速度；以及
基于所述第一局部加速度和所述第二局部加速度来计算重力梯度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，基于第一输出值和第二输出值来计算重力梯度包括用所述第二局部加速度减去所述第一局部加速度以产生加速度差。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述加速度差除以所述第一冷原子干涉仪和所述第二冷原子干涉仪之间的间隔。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，以脉冲发射修改后频率的俘获激光束包括以π/2-π-π/2脉冲序列来脉冲发射修改后频率的俘获激光束。
16.一种测量重力梯度的方法，包括：
产生具有第一失谐的激光束；
从第一反射器反射所述激光束的第一部分以产生多个第一俘获激光束；
穿过布置在所述第一反射器中的中心孔透射所述激光束的第二部分；以及
从第二反射器反射所述激光束的所述第二部分以产生多个第二俘获激光束；
穿过布置在所述第二反射器中的中心孔透射所述激光束的第三部分；
从第三反射器反射所述激光束的所述第三部分以产生逆反射的俘获激光束；
使用与所述逆反射的激光束相组合的所述多个第一俘获激光束来形成第一冷原子阱；
使用与所述逆反射的激光束相组合的所述多个第二俘获激光束来形成第二冷原子阱；以及
在所述第一冷原子阱和所述第二冷原子阱中分别俘获冷原子的第一样本和第二样本。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
从所述第三反射器反射所述激光束的所述第三部分以产生多个第三俘获激光束；
使用与所述逆反射的激光束相组合的所述多个第三俘获激光束来形成第三冷原子阱；以及
在所述第三冷原子阱中俘获冷原子的第三样本。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
关断所述激光束以释放所述第一、第二和第三冷原子样本；
将所述激光束的频率变成第二失谐；
以脉冲发射所述激光束以分别地从冷原子的所述第一样本、所述第二样本和所述第三样本产生第一冷原子干涉仪、第二冷原子干涉仪和第三冷原子干涉仪；
将所述激光束的频率变成第三失谐；
以脉冲发射所述激光束以从分别地从所述第一冷原子干涉仪、所述第二冷原子干涉仪和所述第三冷原子干涉仪获得第一集居数测量结果、第二集居数测量结果和第三集居数测量结果；
分别地基于所述第一集居数测量结果、所述第二集居数测量结果和所述第三集居数测量结果来计算第一局部加速度、第二局部加速度和第三局部加速度；以及
基于所述第一局部加速度、所述第二局部加速度和所述第三局部加速度计算重力曲率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，以脉冲发射具有第二失谐的所述激光束包括在π/2-π-π/2脉冲序列中以脉冲发射所述激光束。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，基于所述第一局部加速度、所述第二局部加速度和所述第三局部加速度来计算重力曲率包括通过用所述第一局部加速度和所述第三局部加速度之间的差减去所述第一局部加速度和所述第二局部加速度之间的差来计算梯度差。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，计算重力曲率包括将所述梯度差除以所述第一冷原子干涉和所述第三冷原子干涉仪之间的间隔。
22.一种冷原子重力梯度仪系统，包括：
激光源(207)，用于产生沿着传播方向传播的激光束，所述传播方向平行于局部重力方向；
第一反射器(501)，所述第一反射器反射所述激光束的第一部分；
第二反射器(503)，所述第二反射器反射所述激光束的第二部分，其中，所述第二反射器沿着基本上垂直于所述传播方向的梯度测量方向与所述第一反射器在空间上分离，
其中，所述第一反射器包括第一反射表面，所述第一反射表面被布置成反射所述激光束的第一部分以产生用于俘获冷原子的第一样本的多个第一俘获激光束，以及
其中，所述第二反射器包括第二反射表面，所述第二反射表面被布置成反射所述激光束的所述第二部分以产生用于俘获冷原子的第二样本的多个第二俘获激光束。
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