CN105674972A - 小型化组合单轴冷原子惯性传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于转速、加速度测量和惯性导航技术领域，涉及一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器。本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器包括二维微晶玻璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、差分泵浦管道、碱金属源、所述二维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管道连接在三维微晶玻璃真空腔体上，且分别连接有碱金属源，另外，所述差分泵浦管道为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成，且所述三维微晶玻璃真空腔体内具有作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团。本发明结合低温键合技术形成微晶玻璃真空腔，能够在一套装置内实现转速、加速度和重力梯度测量，其集成度高，结构紧凑，且通光面积大，具有较大的工程应用价值。

Description

小型化组合单轴冷原子惯性传感器及其测量方法

技术领域

本发明属于转速、加速度测量和重力梯度测量的惯性导航技术领域，涉及一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器。

背景技术

原子惯性传感器是目前已知的精度最高的惯性传感器，在同等环绕面积下，原子陀螺灵敏度比光学陀螺高10个数量级。基于冷原子的惯性平台，在转动测量、加速度测量、重力梯度测量、精细常数测量、牛顿引力常数测量以及弱等效原子验证方面有着广泛的应用前景。

然而截至目前，现有技术原子惯性传感器整体结构过于庞大复杂，特别是其不锈钢腔体限制了冷原子惯性器件的工程化应用，并且狭小的通光面积也限制了原子器件各项功能的集成，使得实用化比较困难，目前还停留在实验室样机阶段。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小、结构简单，能够实现原子陀螺、原子加速度计，原子重力梯度仪组合设计的单轴冷原子惯性传感器。

本发明的另一目的在于提供一种基于小型化组合单轴冷原子惯性传感器的测量方法。

本发明技术方案：一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其包括二维微晶玻璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、差分泵浦管道、碱金属源、所述二维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管道连接在三维微晶玻璃真空腔体上，且分别连接有碱金属源，另外，所述差分泵浦管道为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成，且所述三维微晶玻璃真空腔体内具有作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团。

还包括冷却激光系统、拉曼激光系统、高精度时序控制系统，冷却激光激光系统包括一组反亥姆霍兹线圈和三对负失谐的圆偏振光，拉曼激光系统包括从三维微晶玻璃腔体底部射入的三对对射拉曼光，其时间序列由外置的高精度时序控制系统触发。

所述碱金属源通过四通接头与二维微晶玻璃真空腔体连接。

所述四通接头上分别连接有离子泵和真空阀。

所述差分泵浦管道与二维微晶玻璃真空腔体以及三维玻璃真空腔体之间均通过低温键合技术连接。

所述二维微晶玻璃真空腔体和三维玻璃真空腔体均通过低温键合技术将通过性好的微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

一种基于所述的小型化六参数量子惯性传感器进行测量的方法，其首先在三维微晶玻璃真空腔体内部利用磁光阱生成作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团，对冷原子团依次通以π/2-π-π/2拉曼脉冲光束，使冷原子团实现分束、合束，产生带有转速、加速度、重力梯度的干涉信息。

重力梯度的测量时：先预抛一团原子，利用它在空中飞行的时间冷却囚禁第一团原子，在预抛的原子回到磁光阱前，将第一团原子抛出去，等预抛的原子回到磁光阱后，然后上抛第二团原子，使得第一团原子和第二团原子在同一时刻达到最高点，并在该时刻进行重力梯度测量，其中，双原子团上抛速度与上抛时间间隔τ之间满足：

ν₁-ν₂＝gτ

g为重力加速度，v₁，v₂分别为第一团原子和第二团原子的上抛初速度。

本发明的技术效果：本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器利用微晶玻璃构建真空腔，整体结构紧凑，集成度高，体积小，通光性更好，便于实现基于冷原子的高精度惯性导航系统的工程化实用。本发明的惯性传感器利用冷原子团对抛方案，结合不同方向拉曼光束对冷原子的操控，可实现空间惯性参量的测量。

附图说明

图1本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器的结构示意图；

图2本发明所述冷却激光系统结构示意图；

图3是空间域拉曼激光时序示意图；

图4是时域拉曼激光时序示意图；

图5是转速和加速度测量示意图；

图6是双喷泉方案测量重力梯度示意图；

图7是预抛原子方案测量重力梯度示意图；

其中，1-二维微晶玻璃真空腔体，2-三维微晶玻璃真空腔体，3-差分泵浦管道，4-四通接头，5-离子泵，6-碱金属源，7-真空阀，8-三维冷却光束对，9-拉曼激光序列，10-时间序列，11-二维冷却光束对，12-冷却原子团。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

请参阅图1，本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器包括用于产生冷却原子束流的二维真空腔1，用于产生冷却原子团和提供原子操纵观测的三维微晶玻璃真空腔2，冷却激光系统8、拉曼激光系统9、高精度时序控制系统10。

所述二维真空腔体1是由低温键合技术粘接而成的微晶玻璃真空腔体，二维真空腔还包括差分泵浦管3、离子泵5、碱金属源6、真空阀7和四通接口4。三维真空腔2与二维真空腔1通过差分泵浦管3相连以保证两种腔体之间的压差，主要用于构成单轴冷原子惯性传感器的主体。该腔体与传统不锈钢真空腔体相比，全玻璃结构增大了整个系统的面积，可以将原子陀螺，原子加速度计和原子重力梯度仪集成到一个腔体之中，体积可以缩小将近两个数量级，便于原子惯性传感器的工程化应用。

小型化组合单轴冷原子惯性传感器，还包括冷却激光系统8、拉曼激光系统10、高精度时序控制系统11，冷却激光激光系统8主要一组反亥姆霍兹线圈和三对负失谐的圆偏振光组成，拉曼激光系统10有三对对射拉曼光组成由三维微晶玻璃腔体底部射入，其时间序列由外置的高精度时序控制系统11产生。

如图2所示，冷却激光系统8由三维方向对射的激光和一组反亥姆霍兹线圈组成。激光频频锁定在⁸⁷Rb|5²S_1/2,F＝2>→|5²S_3/2,F'＝3>跃迁共振频率附近。为了避免原子落入暗态使冷却过程中介，要需要一束反抽运光将原子从|5²S_1/2,F＝1>抽运到→|5²S_3/2,F＝2>。磁场需要选用反亥姆霍兹线圈是由于其中心轴上梯度均匀性最好。

拉曼激光系统选择反向传播的两束相干光，其有效波矢比同向传播情况大约5个数量级。在结构上选择矢量拉曼激光系统，一套是沿x方向排列的三束z向传播拉曼光束(π/2-π-π/2)，光束相隔距离x＝v_xT₁，如图3。另一套是时域分布的三束z向传播拉曼光束，相隔时间为T₂，如图4。

高精度时序控制系统，原子干涉仪的装载、上抛、干涉、探测等每个过程都需要相关物理量以一定的时间顺序予以配合，例如原子冷却时磁场的开启，拉曼激光的时域安排等等，该部分可以通过数字输出卡以一定的时间顺序输出的TTL电平来实现相关的控制，其时序安排如图3、图4所示。

微晶玻璃真空腔结合激光冷却系统，拉曼激光系统，高精度时序控制系统可以在很小的体积内实现对转速和线加速度的测量。

本发明小型化六参数量子惯性传感器进行测量的方法的工作原理如下：首先在三维微晶玻璃真空腔体内部利用磁光阱生成作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团，对冷原子团依次通以π/2-π-π/2拉曼脉冲光束，使冷原子团实现分束、合束，产生带有转速、加速度、重力梯度的干涉信息。下面结合附图分别介绍转速、加速度和重力梯度的测量。

该腔体测量转速的流程如下：

1)腔体预抽真空，打开碱金属(铷)源，在二维真空腔x，y两个方向上施加磁场，实现铷原子的二维冷却，为三维真空腔提供稳定的预冷原子束流。在三维真空腔中施加磁场和激光光束，在时间T₁内实现铷原子团的装载。

2)关闭磁场等待涡流消失，关闭y向光束，调谐x，z方向对射光束频率偏差分别为Δν_x，Δν_y以使原子团斜向上抛。铷原子团上抛速度与光束频差的关系为：

v_x＝Δν_x/λ

v_z＝Δν_z/λ

$v=\sqrt{v_x^2+v_z^2}$

3)原子惯性器件容易受到背景磁场的影响，因此在原子初态制备时，一般是将原子制备在磁量子数m_F＝0态，这样原子的一阶塞曼效应为零，原子处于磁不敏感态。当运动光学黏团过程结束后，反抽运光延迟T₂关断，目的是将⁸⁷Rb原子全部泵浦到5S_1/2,F＝2态上。原子进入选态区后，用一束拉曼光π脉冲将F＝2，m_F＝0的原子泵浦到F＝1，m_F＝0态。其他非0磁子能级的原子由于Raman光不共振而继续留在F＝2态，再用一束与5S_1/2,F＝2→5P_3/2,F’＝3跃迁共振的竖直向上的清除光将5S_1/2,F＝2态上剩余的原子吹掉，这样原子最终被制备在实验所需的5S_1/2,F＝1，m_F＝0态。

4)原子上抛之后，如图5所示，沿着x方向，依次作用三对沿y方向相向传输的π/2拉曼脉冲光束对、π拉曼脉冲光束对以及π/2拉曼脉冲光束对，拉曼脉冲对时间间隔均为T。当整个系统绕z轴旋转时，两路原子的相位差正比于转速。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1=2{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{eff}}({\stackrel{\→}{v}}_x\×{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_z)T^2$

该公式也可以写成Sagnac公式的形式。

Δφ₁＝4SωΩ/c²

其中S为原子环路在xy平面上的投影面积。

5)原子到达探测区后，打开探测光(5S_1/2,F＝2→5P_3/2,F’＝3)探测基态F＝2的原子数目N₂，结束后用清除光将F＝2态的原子吹掉，打开反抽运光将F＝1的原子泵到F＝2态上，然后在此开启探测光获得F＝1态的原子数目，最后处于F＝2态的概率为P＝N₂/(N₁+N₂)。而跃迁概率与相位差的关系为：

P∝cos(Const+ΔΦ)

即通过跃迁概率的测量即可感知系统转速。

腔体测量加速度的流程如下

6)按照1)～4)处理原子，如图5所示，沿着x方向，依次作用三对沿y方向相向传输的π/2拉曼脉冲光束对、π拉曼脉冲光束对以及π/2拉曼脉冲光束对，拉曼脉冲对时间间隔均为T。当整个系统在y轴有加速度时，两路原子的相位差正比于加速度。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2={\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{eff}}{a}_y{T}^2$

7)单回路难以辨别z轴转速和y轴加速度对原子相位差的贡献，需要采用两团原子对抛的方案分离转速和加速度，达到同时测量转速和加速度的目的。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{+}={\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{eff}}[{\stackrel{\→}{a}}_y-2({\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_z\×{\stackrel{\→}{v}}_x)]T^2$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{-}={\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{eff}}[{\stackrel{\→}{a}}_y+2({\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_z\×{\stackrel{\→}{v}}_x)]T^2$

a_y＝(Δφ₊+Δφ_-)/2k_effT²

Ω_z＝(Δφ₂₂-Δφ₁₂)/4v_xk_effT²

Δφ₊表示沿x轴正向原子环路相位差，Δφ_-表示沿x轴负向原子环路相位差。

按第5)部分进行跃迁概率的测量，进而推导系统加速度。

腔体测量重力梯度的流程如下

8)为了在重力梯度测量时能有效地机型差分以抑制共模噪声，可以利用双喷泉方案，如图6所示，但是要求这两团原子相对静止。

9)以时间间隔T沿z轴垂直发射两束原子团，速度分别为v₁，v₂，满足v₁-v₂＝gT。在能态选择完成，在z轴方向，以T₂为间隔对两束原子团施加π/2拉曼脉冲光束对、π拉曼脉冲光束对以及π/2拉曼脉冲光束对，使铷原子实现内态干涉，在分别测量两原子团跃迁概率之后，则可获得距离为l两点之间重力差，实现重力梯度的测量。

$l=(v_1^2-v_2^2)/2g$

Δg＝g₁-g₂

10)步骤9)中由于两团原子发射时间间隔很短，很难保证第二团原子达到测量密度，可以采用预抛原子的方法，如图7所示，先预抛一团原子，利用他在空中飞行的时间冷却囚禁第一团原子，在预抛的原子回到磁光阱前，将第二团原子抛出去，等预抛的原子回到MOT后，由于其扩散程度有限，其中大部分原子可以在很短的时间内重新被冷却，然后上抛形成第二团原子。实验证明，该方法可以有效的提高原子团的密度，提高信噪比。

Claims (8)

1.一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，包括二维微晶玻璃真空腔体(1)、三维微晶玻璃真空腔体(2)、差分泵浦管道(3)、碱金属源(6)、所述二维微晶玻璃真空腔体(1)通过差分泵浦管道(3)连接在三维微晶玻璃真空腔体(2)上，且分别连接有碱金属源(6)，另外，所述差分泵浦管道(3)为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成，且所述三维微晶玻璃真空腔体(2)内具有作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团(13)。

2.根据权利要求1所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，还包括冷却激光系统(8)、拉曼激光系统(10)、高精度时序控制系统(11)，冷却激光激光系统(8)包括一组反亥姆霍兹线圈和三对负失谐的圆偏振光，拉曼激光系统(10)包括从三维微晶玻璃腔体底部射入的三对对射拉曼光，其时间序列由外置的高精度时序控制系统(11)触发。

3.根据权利要求2所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，所述碱金属源(6)通过四通接头(4)与二维微晶玻璃真空腔体(1)连接。

4.根据权利要求3所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，所述四通接头(4)上分别连接有离子泵(5)和真空阀(7)。

5.根据权利要求4所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，所述差分泵浦管道(3)与二维微晶玻璃真空腔体(1)以及三维玻璃真空腔体(2)之间均通过低温键合技术连接。

6.根据权利要求5所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其特征在于，所述二维微晶玻璃真空腔体(1)和三维玻璃真空腔体(2)均通过低温键合技术将通过性好的微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器进行测量的方法，其特征在于，首先在三维微晶玻璃真空腔体(2)内部利用磁光阱生成作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团，对冷原子团依次通以π/2-π-π/2拉曼脉冲光束，使冷原子团实现分束、合束，产生带有转速、加速度、重力梯度的干涉信息。

8.根据权利要求7所述的小型化组合单轴冷原子惯性传感器进行测量的方法，其特征在于，重力梯度的测量时：先预抛一团原子，利用它在空中飞行的时间冷却囚禁第一团原子，在预抛的原子回到磁光阱前，将第一团原子抛出去，等预抛的原子回到磁光阱后，然后上抛第二团原子，使得第一团原子和第二团原子在同一时刻达到最高点，并在该时刻进行重力梯度测量，其中，双原子团上抛速度与上抛时间间隔τ之间满足：

ν₁-ν₂＝gτ

g为重力加速度，v₁，v₂分别为第一团原子和第二团原子的上抛初速度。