CN105066983B - 原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置 - Google Patents

原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，包括探测光路系统和信号采集系统，其特征在于，所述的探测光路系统包括入射光纤(11)、扩束准直系统(12)、光阑(13)和反射镜(14)，所述的信号采集系统包括聚焦镜头(21)、光电二极管PD(22)和CCD(23)，设扩束准直系统(12)照射光阑(13)形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区域。本发明的探测方法及装置构思巧妙，结构简单，能够在单一探测装置下实现原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹测量，进而提高原子陀螺的性能。

Description

原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置
技术领域
本发明涉及冷原子干涉技术领域，具体涉及一种原子团温度、运动速度及运动轨迹的探测方法及装置。
背景技术
原子陀螺因具有更高的理论测量精度而日趋成为惯性导航领域的主流发展方向，原子轨迹的精确控制是实现原子陀螺精确测量的前提。对于单向抛射的原子陀螺，需要精确控制原子轨迹与光路系统的位置关系；对于双向对抛的原子陀螺不但要保证原子轨迹与光路系统的位置关系，更要保证两团对抛原子轨迹的重合度，这对于提高原子陀螺的测量精度至关重要。因此原子轨迹探测方法及装置作为一种检测手段在冷原子陀螺技术领域具有广泛的应用前景。
原子的运动轨迹取决于原子的初始抛射速度及方向，而初始抛射速度由原子冷却囚禁光束的光强及失谐控制决定，抛射方向的偏差由原子囚禁光束的位置安装及光束对准情况决定。通过机械加工精度很难保证原子沿着预定的轨迹抛射，因此需要对原子的飞行轨迹进行探测，以此来指导对原子运动轨迹的修正。
目前对飞行过程中的原子进行探测的方法有“飞行时间法”以及利用直接数字频率综合器精确控制原子飞行轨迹。其中“飞行时间法”主要用于探测原子冷却温度，不能实现原子的运动轨迹探测，华中科技大学2011年周敏康博士论文和浙江大学2010年韩顺利博士论文；而直接数字频率综合控制只能够精确的控制原子的飞行轨迹，但无法实现原子运动轨迹的精确测量，如武汉物理与数学研究所发表的文章《对抛式冷原子陀螺仪中原子运动轨迹的控制》。
原子冷却温度是原子囚禁质量的重要指标，原子团的抛射速度影响测量相位，而原子运动轨迹的精确控制是原子陀螺实现高精度测量的前提条件，目前还没有在单一装置条件下实现这三个参量测量的技术。
发明内容
本发明的目的是提出了一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置，本发明的探测方法及装置构思巧妙，结构简单，能够在单一探测装置下实现原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹测量，进而提高原子陀螺的性能。
本发明具体的技术方案是一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，包括探测光路系统和信号采集系统，其特征在于，
所述的探测光路系统包括入射光纤、扩束准直系统、光阑和反射镜，所述的入射光纤通过连接头与扩束准直系统连接固定，将入射光纤出射的点光源扩束整形为矩形平面波，矩形平面波的长边方向平行于原子团的运动轨迹方向，所述的光阑具有三条平行的狭缝，三条狭逢的宽度相等并且每条狭逢的宽度小于原子团的直径，所述的反射镜的镜面与扩束准直系统的出射光垂直，扩束准直系统出射的矩形平面波经过光阑形成三束片状平行光束照在反射镜的镜面上，原子团运动轨迹位于光阑和反射镜之间。
所述的信号采集系统包括聚焦镜头、光电二极管PD和CCD，设扩束准直系统照射光阑形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区域，在进行原子团冷却温度、飞行速度探测时，所述的光电二极管PD的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在光电二极管PD的靶面上，在进行运动轨迹的探测时，所述的CCD的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在CCD的靶面上。
更进一步地，所述的入射光纤的出射光为Rb87原子从F＝2→F'＝3跃迁的共振激光，该激光与原子作用产生的共振荧光作为原子轨迹探测信号。
更进一步地，所述的聚焦镜头的光轴方向与扩束准直系统的出射光成45度夹角。
更进一步地，所述的信号采集系统有两套，对称布置于探测光路系统两侧。
采用所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调整探测光路系统，使扩束准直系统的出射光与反射镜的反射光平行，并垂直于原子团运动轨迹方向；
2)使所述的光电二极管PD的靶面位于聚焦镜头的焦平面上，调整聚焦镜头对三个探测区域进行聚焦；
3)进行原子团抛射，原子团通过三个探测区域时，光电二极管PD探测到的光强呈高斯分布，记录原子团通过每个探测区域的高斯谱线中心位置及谱线宽度，设原子团通过第一个探测区域的高斯谱线的半宽度Δt1为原子团经过第一探测区域所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t1，设原子团通过第三个探测区域的高斯谱线的半宽度Δt3为原子团经过第三探测区域所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t3，设第一探测区域与第三探测区域之间的距离为2l，设原子团从第一探测区域到第三探测区域的运动时间为T，则T＝t3-t1，原子团抛射速度v＝2l/T，原子团从第一探测区域运动到第三探测区域的半径展宽则原子团扩散速度原子团冷却温度其中，m＝1.42×10-25kg为铷原子质量，kB＝1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数。
4)使所述的CCD(23)的靶面位于聚焦镜头(21)的焦平面上，，调整聚焦镜头对三个探测区域进行聚焦；
5)进行原子团抛射，通过调整CCD的曝光时刻来捕捉原子团通过三个探测区域的时刻，通过连续的三次曝光并记录原子团通过三个探测区的位置图像，得到原子团的运动轨迹。
本发明的有益效果是在单一装置的条件下本发明的方法既能够实现原子冷却温度及飞行速度的测量又能够实现原子团运动轨迹的二维探测。原子冷却温度及运动速度的测量中通过提取飞行信号高斯谱线的中心位置及宽度并计算得到。原子团运动轨迹的测量通过提取原子团在CCD靶面所成像的中心位置坐标来确定，其定位精度可达亚像素级别。并在双向对抛原子团时，可方便地探测原子团运动轨迹，以调整原子团发射方向，实现对抛原子团轨迹重合，进而提高原子陀螺的性能。
说明书附图
图1为本发明的原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的结构示意图；
图2为本发明的探测装置的探测光路系统原理图；
图3为采用本发明的方法进行原子团冷却温度及飞行速度探测得到的高斯谱线图；
图4为采用本发明的方法进行两团原子对抛轨迹不重合探测的4种形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步地说明。
如图1-2所示，本发明的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，包括探测光路系统和信号采集系统。
所述的探测光路系统包括入射光纤11、扩束准直系统12、光阑13和反射镜14，所述的入射光纤11通过连接头与扩束准直系统12连接固定，所述的入射光纤11的出射光为Rb87原子从F＝2→F'＝3循环跃迁的共振激光，该激光与原子作用产生的共振荧光作为原子轨迹探测信号。扩束准直系统12包括双胶合准直透镜及柱面镜，将入射光纤11出射的点光源扩束整形为矩形平面波，矩形平面波的长边方向平行于原子团的运动轨迹方向，所述的光阑13具有三条平行的狭缝，三条狭逢的宽度相等并且每条狭逢的宽度小于原子团的直径，目的在于PD探测荧光信号时能够得到高斯型的信号谱线，便于精确定位原子团的中心位置及半径。所述的反射镜14的镜面与扩束准直系统12的出射光垂直，扩束准直系统12出射的矩形平面波经过光阑13形成三束片状平行光束照在反射镜14的镜面上，原子团运动轨迹位于光阑13和反射镜14之间。三束片状平行光束通过原子团运动轨迹后经过反射镜14将光束返回，从而形成三组对射的探测光，采用对射光束的目的在于避免探测光与原子团作用过程中加热原子、改变原子的运动轨迹。
所述的信号采集系统包括聚焦镜头21、光电二极管PD22和CCD23，设扩束准直系统12照射光阑13形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区域，分别记为O1、O2、O3，在进行原子团冷却温度、飞行速度探测时，所述的光电二极管PD22的靶面位于聚焦镜头21的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在光电二极管PD22的靶面上，在进行运动轨迹的探测时，所述的CCD23的靶面位于聚焦镜头21的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在CCD23的靶面上。PD和CCD的靶面要足够大，能够将三个探测点的荧光同时聚焦在靶面上。所述的聚焦镜头21的光轴方向与扩束准直系统12的出射光成45度夹角。所述的信号采集系统有两套，对称布置于探测光路系统两侧。由于原子团的运动轨迹为抛物线，因此通过三个点的测量能够完全确定原子团的运动轨迹。为实现原子团运动轨迹的二维探测，在垂直于原子运动方向的平面内垂直安装两套信号采集系统，且两套信号采集系统对称分布于探测光的两侧，轨迹探测过程中两套信号采集系统实现相同的荧光探测的时序控制。
探测光路系统通过螺钉与支撑结构连接固定。信号采集系统通过三角固定架固定在精密位移台上，精密位移台再和支撑底座固定连接。支撑结构在保证各个部分的位置关系的同时能够保证系统稳定性。
采用本发明的原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调整探测光路系统，使扩束准直系统12的出射光与反射镜14的反射光平行，并垂直于原子团运动轨迹方向；
2)使所述的光电二极管PD22的靶面位于聚焦镜头21的焦平面上，调整聚焦镜头21对三个探测区域进行聚焦；
3)进行原子团抛射，原子团通过三个探测区域时，光电二极管PD22探测到的光强呈高斯分布，记录原子团通过每个探测区域的高斯谱线中心位置及谱线宽度，以从左向右抛射的原子团为例，当原子经过O1位置时，在探测光的作用下原子发出荧光，PD探测到的信号形式如图3(a)实线所示，同样，原子经过O3点探测到的谱线如图3(b)实线所示，设原子团通过第一个探测区域O1的高斯谱线的半宽度Δt1为原子团经过第一探测区域O1所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t1，设原子团通过第三个探测区域O3的高斯谱线的半宽度Δt3为原子团经过第三探测区域O3所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t3，设第一探测区域O1与第三探测区域O3之间的距离为2l，设原子团从第一探测区域O1到第三探测区域O3的运动时间为T，则T＝t3-t1，原子团抛射速度v＝2l/T。因为原子团从第一探测区域O1运动到第三探测区域O3的半径增大，其通过同样宽度的狭缝的时间差即为Δt3-Δt1，这样该原子团的半径展宽则原子团扩散速度原子团冷却温度其中，m＝1.42×10-25kg为铷原子质量，kB＝1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数；
4)使所述的CCD23的靶面位于聚焦镜头21的焦平面上，，调整聚焦镜头21对三个探测区域进行聚焦；
5)进行原子团抛射，通过调整CCD的曝光时刻来捕捉原子团通过三个探测区域的时刻，通过连续的三次曝光并记录原子团通过三个探测区的位置图像，得到原子团的运动轨迹。
对抛的两团原子分别探测后能够得到各自在三个探测区的位置图像，通过位置坐标提取并进行比对，能够计算出位置偏差，依据该偏差对原子的初始抛射方向及抛射速度进行调节，直到对抛的两团原子在三个探测区域位置坐标完全重合。
原子团轨迹不重合情况如附图4所示，其中图4(a)为原子团运动的抛物曲线相同，但空间上存在错位；图4(b)为两团原子的运动轨迹空间相交；图4(c)为两团原子的抛物线不同。

Claims (5)

1.一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，包括探测光路系统和信号采集系统，其特征在于，
所述的探测光路系统包括入射光纤(11)、扩束准直系统(12)、光阑(13)和反射镜(14)，所述的入射光纤(11)通过连接头与扩束准直系统(12)连接固定，将入射光纤(11)出射的点光源扩束整形为矩形平面波，矩形平面波的长边方向平行于原子团的运动轨迹方向，所述的光阑(13)具有三条平行的狭缝，三条狭逢的宽度相等并且每条狭逢的宽度小于原子团的直径，所述的反射镜(14)的镜面与扩束准直系统(12)的出射光垂直，扩束准直系统(12)出射的矩形平面波经过光阑(13)形成三束片状平行光束照在反射镜(14)的镜面上，原子团运动轨迹位于光阑(13)和反射镜(14)之间，
所述的信号采集系统包括聚焦镜头(21)、光电二极管PD(22)和CCD(23)，设扩束准直系统(12)照射光阑(13)形成的三束片状平行光束与原子团的运动轨迹的三个相交区域为探测区域，在进行原子团冷却温度、飞行速度探测时，所述的光电二极管PD(22)的靶面位于聚焦镜头(21)的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在光电二极管PD(22)的靶面上，在进行运动轨迹的探测时，所述的CCD(23)的靶面位于聚焦镜头(21)的焦平面上，三个探测区域能够全部成像在CCD(23)的靶面上。
2.如权利要求1所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，其特征在于，所述的入射光纤(11)的出射光为Rb87原子从F＝2→F'＝3跃迁的共振激光，该激光与原子作用产生的共振荧光作为原子轨迹探测信号。
3.如权利要求1所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，其特征在于，所述的聚焦镜头(21)的光轴方向与扩束准直系统(12)的出射光成45度夹角。
4.如权利要求3所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置，其特征在于，所述的信号采集系统有两套，对称布置于探测光路系统两侧。
5.采用权利要求1所述的一种原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调整探测光路系统，使扩束准直系统(12)的出射光与反射镜(14)的反射光平行，并垂直于原子团运动轨迹方向；
2)使所述的光电二极管PD(22)的靶面位于聚焦镜头(21)的焦平面上，调整聚焦镜头(21)对三个探测区域进行聚焦；
3)进行原子团抛射，原子团通过三个探测区域时，光电二极管PD(22)探测到的光强呈高斯分布，记录原子团通过每个探测区域的高斯谱线中心位置及谱线宽度，设原子团通过第一个探测区域的高斯谱线的半宽度Δt1为原子团经过第一探测区域所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t1，设原子团通过第三个探测区域的高斯谱线的半宽度Δt3为原子团经过第三探测区域所用时间，记对应的高斯谱线中心时刻为t3，设第一探测区域与第三探测区域之间的距离为2l，设原子团从第一探测区域到第三探测区域的运动时间为T，则T＝t3-t1，原子团抛射速度v＝2l/T，原子团从第一探测区域运动到第三探测区域的半径展宽则原子团扩散速度原子团冷却温度其中，m＝1.42×10-25kg为铷原子质量，kB＝1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数；
4)使所述的CCD(23)的靶面位于聚焦镜头(21)的焦平面上，调整聚焦镜头(21)对三个探测区域进行聚焦；
5)进行原子团抛射，通过调整CCD的曝光时刻来捕捉原子团通过三个探测区域的时刻，通过连续的三次曝光并记录原子团通过三个探测区的位置图像，得到原子团的运动轨迹。
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