CN106597561B - 一种用于原子干涉重力测量的真空装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于原子干涉重力测量的真空装置，包括二维磁光阱部件、三维磁光阱部件、干涉部件、探测部件和光学部件；二维磁光阱用于原子的二维冷却；三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，用于对进行了二维冷却后的原子进行三维冷却，并上抛冷却后的原子；干涉部件为圆柱形中空管道，用于入射拉曼激光；干涉部件用于受激拉曼跃迁激光对与上抛原子的相互作用，使得原子发生干涉；探测部件为正方体形，用于探测干涉后的原子发生跃迁的概率；光学部件用于对入射的拉曼激光进行反射，并与入射激光形成所述受激拉曼跃迁激光对。本发明不仅大大降低了装置的高度，减轻了装置重量，使得装置更加灵活，稳定性也大大增强。

Description

一种用于原子干涉重力测量的真空装置

技术领域

本发明属于原子干涉重力测量技术领域，更具体地，涉及一种用于原子干涉重力测量的真空装置。

背景技术

在过去二十多年里，原子干涉技术得到了迅速的发展和广泛的应用，因其潜在高灵敏度和量子属性，在精密测量领域已被用来进行重力、重力梯度、转动、精细结构常数、磁场梯度、万有引力常数等测量，同时也用来检验一些物理学的基本原理。它在基础科学研究、重力测量、资源勘探、重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。其中原子干涉重力测量是其最重要的应用之一，也是目前最为成功的应用之一。

原子干涉重力测量过程包括原子的预冷却、三维冷却、囚禁、上抛、选态、干涉以及最终探测，这一系列的过程都发生在超高真空度的真空装置中。整个过程要求原子被送到不同区域完成不同的操作，这就决定了真空装置的形状是比较特殊的。以往用于原子干涉重力测量的真空装置往往体积较大，不易搬动，更严重的问题是拉曼光光路中1/4波片和反射镜都放置在真空装置外面，这就导致一项重要的系统误差——波前畸变效应无法评估。在这项发明中，真空装置体积被大大地减小，且将1/4波片和反射镜放置到真空装置内部，这方便对波前畸变效应进行评估。

目前原子干涉重力测量的准确度主要受波前畸变效应限制。在以往的上抛型原子干涉重力测量装置中，对波前畸变效应有贡献的光学元件主要有真空装置下窗口、1/4波片和拉曼光反射镜，其中，真空装置下窗口的影响是最大的。比如，在上抛型原子干涉重力测量装置中，拉曼光反射镜和1/4波片放置在真空装置外部，采用调制拉曼光直径的方法可以观察波前畸变效应，实验结果表明这个效应可能会产生数十μGal的系统误差(参考文献：Min-kang Zhou et al.，Observing the effect of wave-front aberrations in anatom interferometer，Physical Review A 93，043610(2016).)。在类似的原子干涉重力测量装置中，对波前畸变效应引起的不确定度贡献最大的地方也是真空装置下窗口，比如德国柏林洪堡大学的原子干涉重力仪，其反射镜和波片置于真空装置外部，仪器的不确定度评估至3μGal水平，其中有超过2μGal是波前畸变贡献的，而且主要就是真空装置下窗口的影响(参考文献：1.C.Freier et al.，Mobile quantum gravity sensor withunprecedented stability，arXiv:1512.05660v1(2015).2.V.Schkolnik et al.，Theeffect of wavefront aberrations in atom interferometry，Applied Physics B:Laser and Optics，120:311-316(2015).)。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于原子干涉重力测量的真空装置，旨在解决真空装置下窗口波前畸变无法评估的问题。

本发明提供了一种用于原子干涉重力测量的真空装置，包括：二维磁光阱部件、三维磁光阱部件、干涉部件、探测部件和光学部件；二维磁光阱部件为长方体形，且在长方体的六个面上均开设有孔，每个孔均通过石英玻璃窗口密封；所述二维磁光阱部件用于原子的二维冷却；所述三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔，所述十四面体为竖直方向放置，且上方连接所述探测部件，下方连接所述光学部件，左边连接所述二维磁光阱部件；所述三维磁光阱部件用于对进行了二维冷却后的原子进行三维冷却，并上抛冷却后的原子；干涉部件为圆柱形中空管道，管道的上端为石英玻璃窗口，用于入射拉曼激光；干涉部件用于受激拉曼跃迁激光对与上抛原子的相互作用，使得原子发生干涉；所述探测部件为正方体形，且在正方体的六个面上均开设有孔，正方体的上方连接所述干涉部件；所述探测部件用于探测干涉后的原子发生跃迁的概率；所述光学部件用于对所述入射的拉曼激光进行反射，并与入射激光形成所述受激拉曼跃迁激光对。

更进一步地，在长方体形的二维磁光阱部件中的四个侧面均开设有方形孔，两个端面开设有圆形孔。

更进一步地，工作时，位于二维磁光阱部件中的原子经过四束激光预冷却后被推送到三维磁光阱部件中进一步被六束对射激光进行三维冷却；充分冷却以后的原子被上抛进入干涉部件，拉曼激光从顶端入射与原子发生相互作用产生原子干涉；干涉完成后，原子落回探测部件时，对原子进行探测。

更进一步地，光学部件包括：1/4波片和拉曼光反射镜；所述1/4波片安装在所述拉曼光反射镜的上方，且倾斜(3°～10°)角。

为了避免波片反射的拉曼光与上面一束激光形成驻波，波片需要倾斜5°角。两束激光从真空装置上窗口入射，其中一束经过拉曼光反射镜反射与另一束形成拉曼激光对。

更进一步地，光学部件还包括：定位钢球和腔体；定位钢球用于定位支撑所述1/4波片和拉曼光反射镜，定位钢球、1/4波片和所述拉曼光反射镜均设置在腔体内。

更进一步地，光学部件还包括：铜质基座，1/4波片和拉曼光反射镜安装在铜质基座上，铜质基座通过三个定位钢球定位支撑；光学部件所含器件都安装在腔体内部。采用三个钢球定位支撑，一则定位更准确，二则可以有效地避免外界的影响。

本发明实施例中，加工腔体的材料为钛合金，但不限于钛合金。

本发明实施例中，将1/4波片和拉曼光反射镜放置于真空装置内部，光学部件内部设计了1/4波片和反射镜固定结构，波片倾斜了一定角度，避免与往下传播的激光形成驻波。这里倾斜角度可以在一定范围内变化，该角度根据光与原子相互作用的高度可以计算。另外采用三个定位钢球支撑，可以提高光学元件的定位精度，同时也减小了外界环境对光学元件的影响。

本发明实施例中，整个真空装置每个部件尺寸都比较小，真空装置高度仅为600mm左右，这不仅大大降低了装置的高度，同时也减轻了装置重量，使得装置更加灵活，稳定性也大大增强。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于1/4波片和拉曼光反射镜放置在真空装置内部，拉曼激光没有通过真空装置下窗口就被拉曼反射镜反射，因此能够取得避免真空装置下窗口波前畸变效应的有益效果。

附图说明

图1为本发明提出的适用于原子干涉重力测量的真空装置整体结构示意图。

图2为本发明中的光学元件部件。

其中，1为二维磁光阱部件，2为三维磁光阱部件，3为干涉部件，4为探测部件，5为光学部件，51为1/4波片，52为拉曼光反射镜，53为定位钢球，54为腔体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为了减小波前畸变效应的影响和探索小型化原子干涉重力测量方案，提供了一种适用于原子干涉重力测量的紧凑型、小型化真空装置。本发明提供的适用于原子干涉重力测量的真空装置，包括二维磁光阱部件、三维磁光阱部件、干涉部件、探测部件和光学元件部件；其主要的特点是结构紧凑，稳定性好，且可以评估波前畸变效应。

图1示出了本发明提出的适用于原子干涉重力测量的真空装置整体结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供的真空装置包括：二维磁光阱部件1、三维磁光阱部件2、干涉部件3、探测部件4和光学部件5；长方体形的二维磁光阱部件1在装置左侧，通过管道与右侧三维磁光阱部件2连接，三维磁光阱部件2上方分别连接探测部件4和干涉部件3，三维磁光阱部件2下方连接光学部件5。

机械部件材料为钛合金，窗口均为石英玻璃。

二维磁光阱部件是在一个长方体六个面开孔形成的，在长的四个面上开方形孔，在两端面开圆形孔，每个孔都有石英玻璃窗口密封。

三维磁光阱部件是由一个正方体切掉八个顶角，形成的十四面体，再在每个面开孔，原来正方体的六个面用于入射冷却激光，其他面用于观察原子等其他用途；原正方体(1，1，1)方向为竖直方向，上方通过管道连接探测部件，探测部件是由一个正方体构成，在六面上都开孔，水平四个面分别用于作用探测光和荧光收集，竖直上方连接干涉部件；干涉部件为一个圆柱形中空的管道，上面是一个石英玻璃窗口，用于入射拉曼激光；在三维磁光阱部件下方连接了用于反射拉曼激光的光学部件。

在二维磁光阱部件中经过四束激光预冷却以后的原子被推送到三维磁光阱部件中进行进一步被六束对射激光进行三维冷却；充分冷却以后的原子被上抛进入干涉部件，在这里拉曼激光从顶端入射与原子发生相互作用，产生干涉；干涉完成以后，原子落回探测部件的时候，对原子进行探测。整个装置结构紧凑，各部件尺寸都较小，高度降低，从而稳定性得以提高。

另外，光学部件位于三维磁光阱下部，在干涉过程中，一束拉曼激光从顶端入射以后，经过光学部件反射以后与从上方入射的另一束拉曼激光形成对射激光，使原子发生受激拉曼跃迁。光学部件内部主要有两个光学元件，分别是拉曼光反射镜和1/4波片。拉曼光反射镜和波片安装在真空装置内部，拉曼激光不需要经过真空装置下窗口就被反射回去，从而有效地避免了真空装置下窗口对拉曼光波前畸变的影响。

下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步的描述。

图1中二维磁光阱部件1是由200mm×70mm×70mm的钛合金长方体在长方形四个面上开120mm×20mm长方形孔，在两个正方形端面开直径30mm的圆孔，在前后上下四个面上的矩形窗口用于入射二维冷却光，左侧圆孔用于入射Push光，将预冷却的原子推送到三维磁光阱部件2；在二维磁光阱部件中预冷却以后的原子被激光推送到三维磁光阱部件2中进行三维多普勒冷却，三维磁光阱部件2是由一个边长120mm的立方体切掉八个角形成的14面体；充分冷却以后的原子被上抛进入干涉部件3，在这里完成选态和干涉，干涉部件是一个外径50mm，内径40mm，长度为约200mm的中空管道；当原子落回探测部件4的时候，探测光作用到原子团，原子团发出的荧光被荧光收集系统收集，进而获得干涉信号，探测部件由一个边长约为100mm的立方体在六个面上开孔形成的；每个窗口处都用高透射率的玻璃密封；与原子作用的拉曼光是从真空装置上窗口入射，经过光学部件5反射以后形成的。

拉曼光从真空装置顶端入射，经过真空装置上窗口透射之后，再经过安装在光学部件5的拉曼光反射镜52反射，形成受激拉曼跃迁所需要的激光对。光学部件位于三维磁光阱部件下部，中间由管道连接。光学部件由一个直径约80mm、高度约70mm的圆柱掏空成腔体54，其内部如图2所示，内部主要有两个光学元件，分别是1/4波片51和拉曼光反射镜52。波片安装在拉曼光反射镜上方，为了避免波片反射的拉曼光与上面一束激光形成驻波，波片需要倾斜一定角度。1/4波片和拉曼光反射镜安装在铜质基座上，铜质基座通过三个定位钢球53定位支撑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于原子干涉重力测量的真空装置，其特征在于，包括：二维磁光阱部件(1)、三维磁光阱部件(2)、干涉部件(3)、探测部件(4)和光学部件(5)；

所述二维磁光阱部件(1)为长方体形，且在长方体的六个面上均开设有孔，每个孔均通过石英玻璃窗口密封；所述二维磁光阱部件(1)用于原子的二维冷却；

所述三维磁光阱部件(2)为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔，所述十四面体为竖直方向放置，且上方连接所述探测部件(4)，下方连接所述光学部件(5)，左边连接所述二维磁光阱部件(1)；所述三维磁光阱部件(2)用于对进行了二维冷却后的原子进行三维冷却，并上抛冷却后的原子；

所述干涉部件(3)为圆柱形中空管道，管道的上端为石英玻璃窗口，用于入射拉曼激光；所述干涉部件(3)用于受激拉曼跃迁激光对与上抛原子的相互作用，使得原子发生干涉；

所述探测部件(4)为正方体形，且在正方体的六个面上均开设有孔，正方体的上方连接所述干涉部件(3)；所述探测部件(4)用于探测干涉后的原子发生跃迁的概率；

所述光学部件(5)用于对所述入射的拉曼激光进行反射，并与入射激光形成所述受激拉曼跃迁激光对；

所述光学部件包括：1/4波片(51)和拉曼光反射镜(52)；所述1/4波片(51)安装在所述拉曼光反射镜(52)的上方，且倾斜3°～10°角；所述1/4波片(51)和拉曼光反射镜(52)放置于真空装置内部，光学部件内部设计了1/4波片和反射镜固定结构。

2.如权利要求1所述的真空装置，其特征在于，在长方体形的二维磁光阱部件(1)中的四个侧面均开设有方形孔，两个端面开设有圆形孔。

3.如权利要求1或2所述的真空装置，其特征在于，工作时，位于二维磁光阱部件中的原子经过四束激光预冷却后被推送到三维磁光阱部件中进一步被六束对射激光进行三维冷却；充分冷却以后的原子被上抛进入干涉部件，拉曼激光从顶端入射与原子发生相互作用产生原子干涉；干涉完成后，原子落回探测部件时，对原子进行探测。

4.如权利要求1所述的真空装置，其特征在于，所述1/4波片(51)在所述拉曼光反射镜(52)的上方倾斜5°角设置。

5.如权利要求1所述的真空装置，其特征在于，所述光学部件还包括：定位钢球(53)和腔体(54)；

定位钢球(53)用于定位支撑所述1/4波片(51)和所述拉曼光反射镜(52)，所述定位钢球(53)、所述1/4波片(51)和所述拉曼光反射镜(52)均设置在所述腔体(54)内。