CN106646643A - 基于热光场聚束效应的重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于热光场聚束效应的重力仪，属于重力探测领域。当测量光束和参考光束同时到达两探测器时，对这两个探测器输出的光信号做归一化二阶关联函数计算，得到峰值，即表现出聚束效应，本发明的重力仪即利用热光场的这种聚束效应实现，由于采用的是归一化二阶关联函数计算方法，光程差对测量结果的影响较小，因此本发明基本不受大气扰动影响，可以克服传统重力仪无法直接暴露在大气环境下使用的问题，可以实现抗干扰重力探测能力，兼顾工程化和高分辨率，可广泛应用于复杂环境下的重力探测。

Description

基于热光场聚束效应的重力仪

技术领域

本发明涉及基于热光场聚束效应的新型重力仪，属于重力探测领域。

背景技术

IMGC-2型绝对重力仪是意大利国家计量院研制的，采用的是上抛-下落原理。美国JILA实验室Faller的研究小组研制了六台JILA-g型绝对重力仪，提供给多个国家的计量和测绘部门使用，后来Niebauer等在JILA-g的基础上进行改进，实现了高精度绝对重力仪的商品化，即目前Micro-g公司生产的FG-5型绝对重力仪。1999年朱棣文等发表在基于原子干涉仪的高精度绝对重力测量结果，在精密物理测量领域引起广泛关注。2012年清华大学也自主研制了T-1型可搬运式高精度绝对重力仪，可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。

复杂环境下的重力探测要求重力仪具有强抗干扰能力，高分辨率，否则测量结果会严重失真。而上述重力仪都存在高分辨率和工程化难以兼顾、抗干扰能力较差的问题。例如基于经典光学的重力仪，工程化简单，但是高分辨率要求所使用的光源带宽较宽，容易引起色散，影响分辨率提高，且抗干扰能力较差；原子干涉重力仪分辨率较高，但是抗干扰能力较差，且难以实现工程化。因此，现有重力仪不能满足复杂环境下的重力探测需要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于热光场聚束效应的重力仪，不受大气扰动的影响，能够实现抗干扰重力探测，兼顾工程化和高分辨率，可广泛应用于复杂环境下重力加速度g的测量。

本发明的技术解决方案是：基于热光场聚束效应的重力仪，包括热光源、透镜、小孔、极化分束器、第一反射镜、分束器、应力传感器、待下落棱镜、参考棱镜、第二反射镜、延时器、第一探测器、第二探测器、符合测量逻辑计算器以及原子钟；

小孔放置于透镜的焦平面上，热光源发出的光经过透镜会聚到小孔上，从小孔出射的光经过极化分束器变成线偏振光后入射到第一反射镜上，经第一反射镜反射后入射到分束器上，经分束器透射的光经过延时器延时后被第二探测器接收，经分束器反射的光沿竖直方向向上传输，入射到待下落棱镜上，经待下落棱镜回射后，沿竖直方向向下传输，入射到参考棱镜上，经参考棱镜回射后，入射到第二反射镜上，经第二反射镜反射后被第一探测器接收，第一探测器和第二探测器将探测到的光信号同时输入到符合测量逻辑计算器，符合测量逻辑计算器对第一探测器和第二探测器输出的光信号做归一化二阶关联函数计算；

所述应力传感器位于待下落棱镜的正下方，在重力测量过程中，原子钟记录待下落棱镜做自由落体运动的起始时刻t₁以及下落到应力传感器上的末时刻t₂，利用公式计算重力加速度g，其中Δt＝t₂-t₁，Δτ＝τ₂-τ₁，τ₁为待下落棱镜未做自由落体运动时，符合测量逻辑计算器做归一化二阶关联函数计算得到峰值时延时器的延时，τ₂为待下落棱镜位于应力传感器上时，符合测量逻辑计算器做归一化的二阶关联函数计算得到峰值时延时器的延时。

待下落棱镜入射光和出射光均沿竖直方向传输的光路调节方法如下：

(2.1)建立包括激光、第一反射镜、分束器、待下落棱镜、水槽、第三反射镜以及校准回射棱镜的调节装置；

(2.2)激光发出的光经第一反射镜反射，照射到分束器上，被分束器反射的激光光束，即测量光束，向上传输到待下落棱镜上，经待下落棱镜回射后，向下传输照射到水槽液面上，经过水槽液面的反射后，沿原光路返回，照射到分束器上；

(2.3)被分束器透射的激光光束，即参考光束，径直照射到第三反射镜上，经第三反射镜反射后照射到校准回射棱镜上，经校准回射棱镜反射后沿原光路返回，照射到分束器上；

(2.4)返回的测量光束与返回的参考光束在分束器上相遇并发生干涉，通过调节第一反射镜来控制测量光束方向，当观测到的干涉条纹呈现均匀的圆形光斑时，认为此时待下落棱镜的入射光和出射光都是绝对竖直的；

(2.5)在第一反射镜、分束器以及待下落棱镜位置不变的前提下，在激光的位置处放置热源，在水槽的位置放置参考棱镜，然后按基于热光场聚束效应的重力仪的光路放置其他设备，实现基于热光场聚束效应的重力仪。

通过同步脉冲控制下落棱镜开始下落和原子钟开始计时；

当待下落棱镜下落到应力传感器上时，应力传感器将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟计时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)兼顾高分辨率和工程化实现

本发明由于采用归一化二阶关联计算方法实现，分辨率较现有重力仪提高一倍，此外相比原子干涉重力仪，本发明重力仪结构组成简单，采用的关键部组件较少，在工程化方面难度较低，因此本发明兼具较高分辨率和工程化实现简单的优点。

(2)抗大气扰动能力强

本发明重力仪利用热光场二阶关联特性表现出的聚束效应实现，探测的是强度信号的关联，基本不受大气扰动影响，可以实现抗干扰重力探测能力，可广泛应用于复杂环境下重力加速度g的测量。

附图说明

图1为本发明的装置图；

图2为测量光束的垂直度调节方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细的说明。

光子的聚束效应，表现为探测到第一个光子后，如果在经过延时τ后，探测到第二个光子的概率降低了，即二阶关联函数g⁽²⁾(τ)＜g⁽²⁾(0)，那就说明光子倾向于聚集在一起，称为光子的聚束效应；相反，探测到第一个光子后，如果在经过延时τ后，探测到第二个光子的概率提高了，即二阶关联函数g⁽²⁾(τ)＞g⁽²⁾(0)，那就说明光子不是聚集在一起，而是倾向于彼此分开，这称为光子的反聚束效应。聚束效应是经典的，经典光场表现出聚束效应，反聚束效应是量子的，非经典的量子光场中可以发现反聚束效应。

热光场所呈现的就是一种聚束效应。可以通过符合测量方法计算归一化的二阶关联函数得到热光场的这种聚束效应，即当到达分束器的两束热光的延时为0时，即测量光束和参考光束同时到达两探测器时，归一化的二阶关联函数值达到峰值，为2，就表现出聚束效应。利用热光场的这种聚束效应，本发明设计了一种新型重力仪。该重力仪探测的是强度信号的关联，基本不受大气扰动影响，可以实现抗干扰重力探测能力，另外，由于采用归一化二阶关联计算方法实现，分辨率较现有重力仪提高一倍，因此，本发明能够实现较高分辨率重力加速度g测量且易于工程化，可广泛应用于复杂环境下重力加速度g的测量。

如图1所示，本发明基于热光场聚束效应的新型重力仪，包括热光源1、透镜2、小孔3、极化分束器4、第一反射镜5、分束器6、应力传感器7、待下落棱镜8、参考棱镜9、第二反射镜10、延时器11、第一探测器12、第二探测器13、符合测量逻辑计算器14、原子钟15。

透镜2放置于热光源1的后面，用于会聚热光场到透镜2的焦平面上；小孔3放置于透镜2的焦平面上，用于限制光源的大小，从而提高归一化二阶关联函数的可见度；极化分束器4放置于小孔3的后面，用于过滤从小孔3出射的光，从小孔3出射的光经过极化分束器4后，变成线偏振光；第一反射镜5和第二反射镜10用于调整光路到合适的位置；分束器6放置于第一反射镜5的后面，用于对热光场进行分束。

待下落棱镜8放置于应力传感器7的正上方，作为测量介质，应力传感器7一方面用于支撑待下落棱镜8，一方面用于应力传感，当待下落棱镜8下落到应力传感器7上时，高灵敏度应力传感器7将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟15计时；参考棱镜9放置于待下落棱镜8的下方，可采用长周期地震仪悬挂激光干涉装置，来降低地面微振动对重力精密测量的影响；第一探测器12和第二探测器13分别放置于符合测量逻辑计算器14的前面，用于接收测量光束和参考光束，并将接收到的信号输出到符合测量逻辑计算器14。原子钟15与应力传感器7连接。

具体来说，热光源1发出的光经过透镜2会聚到小孔3上，从小孔3出射的光先经过极化分束器4变成线偏振光后，入射到第一反射镜5上，经第一反射镜5反射后入射到分束器6上，经分束器6透射的一束叫参考光束经过延时器11直接被第二探测器13接收；反射的一束叫测量光束沿竖直向上方向传输，入射到待下落棱镜8上，经待下落棱镜8回射后，沿竖直向下方向传输，入射到参考棱镜9上，经参考棱镜9回射后，经第二反射镜10反射后被第一探测器12接收，两探测器接收到信号后，同时输入到符合测量逻辑计算器14中做符合逻辑计算。最后通过符合测量逻辑计算器14对第一探测器12和第二探测器13的输出信号即参考光束与测量光束做归一化的二阶关联函数计算。

待下落棱镜8未做自由落体运动时，通过调整延时器11的延时τ，使得在延时为τ₁时，符合测量逻辑计算器14做归一化二阶关联函数计算得到峰值。

在重力测量过程中，通过同步脉冲控制下落棱镜8开始下落和原子钟15开始计时，原子钟15记录自由落体运动的初时刻t₁，待下落棱镜8经过一段时间的自由落体后，下落到应力传感器7上，应力传感器7接收到应力信号后，将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟15记录末时刻t₂。在待下落棱镜8位于应力传感器7上时，通过调整延时器11的延时τ，使得在延时为τ₂时，符合测量逻辑计算器14做归一化的二阶关联函数计算得到峰值。根据延时器延时Δτ＝τ₂-τ₁的值和初末位置原子钟15时间间隔Δt＝t₂-t₁的值，就可以解算出重力加速度

本发明要求待下落棱镜8的入射光和出射光都是垂直的，其调节装置如图2所示，包括激光16、第一反射镜5、分束器6、待下落棱镜8、水槽17、第三反射镜18以及校准回射棱镜19。

激光16发出的光经第一反射镜5反射，照射到分束器6上，一部分激光被分束器6反射叫测量光束，竖直向上传输到待下落棱镜8上，经待下落棱镜8回射后，竖直向下传输照射到水槽17液面上，经过水槽17液面的反射后，沿原光路返回，照射到分束器6上；另一部分激光被分束器6透射叫参考光束，径直照射到第三反射镜18上，经第三反射镜18反射后照射到校准回射棱镜19上，经校准回射棱镜19反射后沿原光路返回，照射到分束器6上，返回的测量光束与返回的参考光束在分束器6上相遇并发生干涉，通过调节第一反射镜5来控制测量光束方向，当观测到的干涉条纹呈现均匀的圆形光斑时，就认为测量光束沿绝对竖直方向向上传输。此时待下落棱镜8的入射光和出射光都是垂直的，在第一反射镜5、分束器6以及待下落棱镜8位置不变的前提下，在激光16的位置处放置热源1，并按本发明重力仪的光路放置其他设备，实现本发明提出的重力仪。

本发明调节待下落棱镜8入射光和出射光的方法简单易行，且调节好后，第一反射镜5、分束器6以及待下落棱镜8不需要再变动位置，从而确保测量结果的稳定性和准确性。

本发明基于热光场二阶关联特性所体现出的聚束效应，针对复杂环境下的重力探测需要，提出了一种新型重力仪设计方案，该重力仪探测的是强度信号的关联，光程差对测量结果的影响较小，基本不受大气扰动影响，可以克服传统重力仪无法直接暴露在大气环境下使用的问题，因此可以实现抗干扰重力探测能力，广泛应用于复杂环境下重力加速度g的测量。本发明为精密测量领域引入了一种全新的重力探测方案，也为量子光学的技术应用提供了新思路。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于热光场聚束效应的重力仪，其特征在于，包括热光源(1)、透镜(2)、小孔(3)、极化分束器(4)、第一反射镜(5)、分束器(6)、应力传感器(7)、待下落棱镜(8)、参考棱镜(9)、第二反射镜(10)、延时器(11)、第一探测器(12)、第二探测器(13)、符合测量逻辑计算器(14)以及原子钟(15)；

小孔(3)放置于透镜(2)的焦平面上，热光源(1)发出的光经过透镜(2)会聚到小孔(3)上，从小孔(3)出射的光经过极化分束器(4)变成线偏振光后入射到第一反射镜(5)上，经第一反射镜(5)反射后入射到分束器(6)上，经分束器(6)透射的光经过延时器(11)延时后被第二探测器(13)接收，经分束器(6)反射的光沿竖直方向向上传输，入射到待下落棱镜(8)上，经待下落棱镜(8)回射后，沿竖直方向向下传输，入射到参考棱镜(9)上，经参考棱镜(9)回射后，入射到第二反射镜(10)上，经第二反射镜(10)反射后被第一探测器(12)接收，第一探测器(12)和第二探测器(13)将探测到的光信号同时输入到符合测量逻辑计算器(14)，符合测量逻辑计算器(14)对第一探测器(12)和第二探测器(13)输出的光信号做归一化二阶关联函数计算；

所述应力传感器(7)位于待下落棱镜(8)的正下方，在重力测量过程中，原子钟(15)记录待下落棱镜(8)做自由落体运动的起始时刻t₁以及下落到应力传感器(7)上的末时刻t₂，利用公式计算重力加速度g，其中Δt＝t₂-t₁，Δτ＝τ₂-τ₁，τ₁为待下落棱镜(8)未做自由落体运动时，符合测量逻辑计算器(14)做归一化二阶关联函数计算得到峰值时延时器(11)的延时，τ₂为待下落棱镜(8)位于应力传感器(7)上时，符合测量逻辑计算器(14)做归一化的二阶关联函数计算得到峰值时延时器(11)的延时。

2.根据权利要求1所述的基于热光场聚束效应的重力仪，其特征在于：待下落棱镜(8)入射光和出射光均沿竖直方向传输的光路调节方法如下：

(2.1)建立包括激光(16)、第一反射镜(5)、分束器(6)、待下落棱镜(8)、水槽(17)、第三反射镜(18)以及校准回射棱镜(19)的调节装置；

(2.2)激光(16)发出的光经第一反射镜(5)反射，照射到分束器(6)上，被分束器(6)反射的激光光束，即测量光束，向上传输到待下落棱镜(8)上，经待下落棱镜(8)回射后，向下传输照射到水槽(17)液面上，经过水槽(17)液面的反射后，沿原光路返回，照射到分束器(6)上；

(2.3)被分束器(6)透射的激光光束，即参考光束，径直照射到第三反射镜(18)上，经第三反射镜(18)反射后照射到校准回射棱镜(19)上，经校准回射棱镜(19)反射后沿原光路返回，照射到分束器(6)上；

(2.4)返回的测量光束与返回的参考光束在分束器(6)上相遇并发生干涉，通过调节第一反射镜(5)来控制测量光束方向，当观测到的干涉条纹呈现均匀的圆形光斑时，认为此时待下落棱镜(8)的入射光和出射光都是绝对竖直的；

(2.5)在第一反射镜(5)、分束器(6)以及待下落棱镜(8)位置不变的前提下，在激光(16)的位置处放置热源(1)，在水槽(17)的位置放置参考棱镜(9)，然后按基于热光场聚束效应的重力仪的光路放置其他设备，实现基于热光场聚束效应的重力仪。

3.根据权利要求1所述的基于热光场聚束效应的重力仪，其特征在于：通过同步脉冲控制下落棱镜(8)开始下落和原子钟(15)开始计时；

当待下落棱镜(8)下落到应力传感器(7)上时，应力传感器(7)将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟(15)计时。