CN107525946A - 一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法及装置 - Google Patents

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贾爱爱
罗玉昆
胡青青
朱凌晓
王恩龙
李期学
杨俊�
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Abstract

本发明公开了一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其步骤为：S1、制备冷原子团；S2、光波导的装载；将原子团制备在磁不敏感的状态，而后打开光学波导，将原子团装在进入光学波导中。S3、原子干涉；通过两束拉曼光或布拉格光分别对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；S4、成像探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，而后通过CCD或PD进行探测，通过探测结果计算光学波导的轴向加速度。本发明具有原理简单、操作简便、精确度高等优点。

Description

一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法及装置
技术领域
本发明主要涉及到加速度测量设备领域，特指一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法及装置。
背景技术
目前，市场上的加速度计大多采用传统工艺，其主要工作原理包括(1)振弦式：由两根相同的弦丝作为支承的线性加速度计。弦丝张力受材料特性和温度影响较大，因此需要有精密温控装置和弦丝张力调节机构。(2)摆式积分陀螺：利用自转轴上具有一定摆性的双自由度陀螺仪来测量加速度的仪表。这种加速度计靠陀螺力矩来平衡惯性力矩，它能在很大的量程内保持较高的测量精度，但结构复杂、体积较大、价格较贵。同时，这些加速度计还存在共同缺点：1、长时间累积误差较大；2、测量灵敏度与量子传感器相比上限相差甚远。其测量灵敏度与本身所用测量原理相关，无法从根本上提高。因此研究开发量子加速度计具有重大意义。
自1991年朱棣文小组实现第一台冷原子干涉仪以来，原子干涉仪因具有极高的测量精度和灵敏度，已被广泛应用于旋转角速度、重力加速度、重力梯度、精细结构常数和万有引力常数的精密测量，以及玻色爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensate,BEC)相干性研究、广义相对论的验证等多个领域。随着原子干涉重力加速度测量技术越来越成熟，近年来，研究人员开始探索研究其他轴向的加速度测量方案。基于超冷原子的小型化惯性测量系统逐渐成为研究热点。
利用磁场波导囚禁超冷原子来补偿重力作用，使得系统能够取得自由空间干涉测量的高灵敏度的同时，缩小系统整体体积成为可能。目前，原子团已能够在磁场势阱中实现导引、分束、反射、合束、成像等等。
磁阱囚禁型原子干涉仪的核心思想是将原子团绝热的囚禁在磁场势阱中，或在磁场波导中通过驻波来操控原子。此类方案的测量精度主要受到以下两个方面的限制：首先是磁场波导的势阱粗糙度，会使得处于凝聚态的原子团退相干和分裂；其次，由于该类磁阱的阱深较大，会使得原子相互作用产生相移。在囚禁磁场电流源中加入kHz范围的电流调制能够使得势阱平滑，但同时也会对原子团引入不必要的加热效应，产生较大的负面影响，降低干涉测量的信噪比，从而影响测量灵敏度。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、精确度高的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其步骤为：
S1、制备冷原子团；
S2、光波导的装载；将原子团制备在磁不敏感的状态，而后打开光学波导，将原子团装在进入光学波导中。
S3、原子干涉；通过两束拉曼光或布拉格光分别对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；
S4、成像探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，而后通过CCD或PD进行探测，通过探测结果计算光学波导的轴向加速度。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，先通过磁光阱、偏振梯度冷却进行前级冷却，得到温度约为20μk的冷原子团；而后通过蒸发冷却、光晶格冷却或边带冷却方式将原子团温度进一步冷却，温度范围为50nK～10μk，50nK为最优，能够在光波导中存活更长的时间。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，所述光学波导方向为水平，与重力方向成90度夹角。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，两束光的方向与光学波导方向相同，为对射或反射。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，干涉测量是用布拉格光并通过布拉格衍射的方式进行，或者用拉曼光通过拉曼跃迁的方式进行。
本发明进一步提供一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，包括：
真空腔(真空度应当优于10-6Pa，真空度越低原子团存活时间越长)，用于产生光学波导的激光器(该激光器优选光纤激光器，产生的阱深应当大于原子团温度，阱深应当≥10μk)；
两束相位锁定的布拉格光或拉曼光；
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团，经过态制备后处于磁不敏感的状态。
作为本发明装置的进一步改进：所述原子团的温度≤10μk且越低越好，经过态制备后处于磁不敏感的状态为|F＝1,mF＝0>。
作为本发明装置的进一步改进：所述光学波导的势阱深度大于原子团温度。
作为本发明装置的进一步改进：对所述光学波导中的原子团通过两束同向传播布拉格光通过反射镜的方式分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；或者，对光学波导中的原子团通过两束对射的布拉格光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。
作为本发明装置的进一步改进：对光学波导中的原子团通过两束对射的拉曼光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；或者，进一步对光学波导中的原子团通过两束同向传播的拉曼光以及反射镜分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提出了一种水平轴向、线性光学波导中原子干涉的加速度测量方案，其主要优势在于利用了光波导产生势阱时固有的平滑性，以及原子团在光学波导中能够被制备在任意的初始状态，进而使原子团制备在磁不敏感态以减小杂散磁场引入的测量误差，从而能够提高测量灵敏度。本发明可以任意改变光学波导的方向，从而能够任意改变加速度测量的方向，对未来扩展到多轴加速度测量研究具有重要参考价值。
2、本发明提出了一种基于原子干涉的水平方向加速度测量的完整方案(包括原子团制备、光学波导的装载、原子团分束合束等)，具有很高的参考价值。与磁场波导相比，光学波导具有线性度好，势阱平滑的优点。整体系统结构简单，原子团装载进入光波导后，可以视其为一个管道(tube)，能够抵抗重力作用，原子团仅沿波导方向扩散。同时本发明方案可以通过增加正交的光波导扩展到更高的测量维度，对发展高精度惯性加速度传感器具有重要参考价值。
附图说明
图1本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实施例1(基于布拉格光对射)中的结构原理示意图。
图3是本发明在具体应用实施例2(基于布拉格光反射)中的结构原理示意图。
图4是本发明在具体应用实施例3(基于拉曼光对射)中的结构原理示意图。
图5是本发明在具体应用实施例4(基于拉曼光反射)中的结构原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，是一种水平轴向、线性光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其步骤为：
S1、冷原子团的制备。
首先需要通过经典的磁光阱(Magnetic-optic traps,简记为MOT)、偏振梯度冷却(Polarization Gradient Cooling，简记为PGC)进行前级冷却(得到温度约为20μk的冷原子团)，而后可通过蒸发冷却、光晶格冷却或边带冷却等方式将原子团温度进一步降低(50nK～10μk)。
S2、初态制备与光波导的装载。
将原子团制备在磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>，而后打开光学波导，将原子团装在进入光学波导中。其中，优选地，光学波导方向为水平，与重力方向成90度夹角。
S3、原子干涉。
通过两束拉曼光、或布拉格光分别对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。
这里两束光的方向与光学波导方向相同，可以为对射或反射；干涉测量可以通过布拉格衍射的方式(用布拉格光)，也可以通过拉曼跃迁的方式(用拉曼光)。
S4、成像探测。
在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，而后通过CCD或PD进行探测，通过探测结果计算光学波导的轴向加速度。
本发明进一步公开了一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，用来实施本发明的上述方法。
实施例1：如图2所示，本发明的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，包括：
真空腔，用于产生光学波导的激光器；
两束相位锁定的布拉格光，两束布拉格光的频率差为若干KHz；
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团(温度为50nK～10μk)，经过态制备后处于磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>。
优选地，在较佳实施例中，光学波导的势阱深度应当大于原子团温度，从而使原子团能够在光学波导中存在更长的时间，不逃逸出波导。
在具体应用实例中，进一步对光学波导中的原子团通过两束对射的布拉格光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。布拉格光与光学波导方向重合。三束光脉冲后将原子团从光学波导中卸载，通过CCD成像，探测处于不同动量态的原子数。扫描其中一个布拉格光的相位，并探测处于不同动量态的原子数，从而获得干涉条纹，进一步计算获得光学波导的轴向加速度值。
实施例2：如图3所示，本发明的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，包括：
真空腔，用于产生光学波导的激光器；
两束相位锁定的布拉格光，两束布拉格光的频率差为若干KHz。
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团(温度50nK～10μk)，经过态制备后处于磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>。
优选地，在较佳实施例中，光学波导的势阱深度应当大于原子团温度，从而使原子团能够在光学波导中存在更长的时间，不逃逸出波导。
在具体应用实例中，进一步对光学波导中的原子团通过两束同向传播布拉格光通过反射镜的方式分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。布拉格光与光学波导方向重合。三束光脉冲后将原子团从光学波导中卸载，通过CCD成像，探测处于不同动量态的原子数。扫描其中一个布拉格光的相位，并探测处于不同动量态的原子数，从而获得干涉条纹，进一步计算获得光学波导的轴向加速度值。
实施例3：如图4所示，本发明的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，包括：
真空腔，用于产生光学波导的激光器；
两束相位锁定的拉曼光，两束拉曼光的频率差约为6.8GHz；
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团(温度50nK～10μk)，经过态制备后处于磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>。
优选地，在较佳实施例中，光学波导的势阱深度应当大于原子团温度，从而使原子团能够在光学波导中存在更长的时间，不逃逸出波导。
在具体应用实例中，进一步对光学波导中的原子团通过两束对射的拉曼光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。拉曼光与光学波导方向重合。三束光脉冲后将原子团从光学波导中卸载，通过CCD或PD成像，探测处于不同基态的原子数。扫描其中一束拉曼光的相位，并探测处于不同基态的原子数，从而获得干涉条纹，进一步计算获得光学波导的轴向加速度值。
实施例4：如图5所示，本发明的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，包括：
真空腔，用于产生光学波导的激光器；
两束相位锁定的拉曼光，两束拉曼光的频率差约为6.8GHz；
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团(温度50nK～10μk)，经过态制备后处于磁不敏感的状态|F＝1,mF＝0>。
优选地，在较佳实施例中，光学波导的势阱深度应当大于原子团温度，从而使原子团能够在光学波导中存在更长的时间，不逃逸出波导。
在具体应用实例中，进一步对光学波导中的原子团通过两束同向传播的拉曼光以及反射镜分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。拉曼光与光学波导方向重合。三束光脉冲后将原子团从光学波导中卸载，通过CCD或PD成像，探测处于不同基态的原子数。扫描其中一束拉曼光的相位，并探测处于不同基态的原子数，从而获得干涉条纹，进一步计算获得光学波导的轴向加速度值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其特征在于，步骤为：
S1、制备冷原子团；
S2、光波导的装载；将原子团制备在磁不敏感的状态，而后打开光学波导，将原子团装在进入光学波导中。
S3、原子干涉；通过两束拉曼光或布拉格光分别对原子团施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；
S4、成像探测；在干涉完成后，将原子团自由下落一段时间，而后通过CCD或PD进行探测，通过探测结果计算光学波导的轴向加速度。
2.根据权利要求1所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，先通过磁光阱、偏振梯度冷却进行前级冷却，得到温度为20μk的冷原子团；而后通过蒸发冷却、光晶格冷却或边带冷却方式将原子团温度进一步冷却，温度范围为50nK～10μk。
3.根据权利要求1所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述光学波导方向为水平，与重力方向成90度夹角。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，两束光的方向与光学波导方向相同，为对射或反射。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，干涉测量是用布拉格光并通过布拉格衍射的方式进行，或者用拉曼光通过拉曼跃迁的方式进行。
6.一种基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，包括：
真空腔，用于产生光学波导的激光器；
两束相位锁定的布拉格光或拉曼光；
光学波导，光学波导的方向为任意水平方向，光学波导内装有原子团；原子团为一团经过冷却后的原子团，经过态制备后处于磁不敏感的状态。
7.根据权利要求6所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，所述原子团的温度≤10μk，经过态制备后处于磁不敏感的状态为|F＝1,mF＝0>。
8.根据权利要求6所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，所述光学波导的势阱深度大于原子团温度。
9.根据权利要求6或7或8所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，对所述光学波导中的原子团通过两束同向传播布拉格光通过反射镜的方式分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；或者，对光学波导中的原子团通过两束对射的布拉格光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。
10.根据权利要求6或7或8所述的基于光学波导中原子干涉的加速度测量装置，其特征在于，对光学波导中的原子团通过两束对射的拉曼光分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪；或者，进一步对光学波导中的原子团通过两束同向传播的拉曼光以及反射镜分别施加π/2、π和π/2三束光脉冲，实现原子团的分束与合束，构建了一个原子干涉仪。
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