CN108279441A - 一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于小型化原子干涉仪的真空装置，包括上、下窗口、方腔、连接部件、原子源部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件。上、下窗口配合扣件用两面镀增透膜的厚玻璃封接，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。通过对上、下窗口之外的光学窗口进行合理的设计并直接内嵌焊接到真空腔体里，以及采用合理的原子冷却干涉方案，大大减小了真空装置的体积和重量，结构变得简洁可靠。同时该真空结构经过恰当改造，也适用于冷原子陀螺仪和重力梯度仪等应用。

Description

一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构

技术领域

本公开属于量子精密测量中的绝对重力加速度测量领域，特别涉及一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构。

背景技术

原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。

原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。

在三维冷却陷俘的其中一个过程中，需要在一个特定的梯度磁场下进行，如图1所示。这个梯度磁场是通过一对反亥姆赫兹线圈产生的。

在拉曼干涉过程中，外界的磁场(主要是地磁场)会带来二阶塞曼效应，影响测量灵敏度，所以需要把外磁场屏蔽掉。一般用高磁导率金属做成的磁屏蔽装置来屏蔽外磁场。

由于可移动性和集成性方面的要求，在保证性能不减的前提下，真空装置要尽可能小巧。而目前国内外绝大部分的原子干涉仪所用真空装置过于庞大和笨重。

目前的原子干涉仪的原子源往往采用二维磁光阱的方案。对于前者，真空装置的径向尺寸会非常大，更不利于磁屏蔽装置的安装一一要么把包括二维磁光阱在内的整个真空装置屏蔽起来，这样磁屏蔽装置就过于庞大；要么磁屏蔽装置在二维磁光阱和三维磁光阱的连接管道开口，这样磁屏蔽装置就不能做成一个整体的桶状，安装很麻烦，也会有地磁场漏进三维磁光阱，影响测量结果。

通常的三维磁光阱部件需要给冷却光单独开六个窗口，也就意味着需要配备六个用来做三维冷却的激光光束发射器，使得装置臃肿且成本昂贵。尺寸所限，绕制的一对反亥姆赫兹线圈也只能相距很远，要通很大电流才能产生磁光阱所需的梯度磁场，这样发热量和功耗也会很大。

再者，光学窗口的安装也是限制装置的尺寸以及重量的原因之一。如图2所示，为现有原子干涉仪的探测部件，上端与干涉管连接，其余五个面与图3的光学窗口连接。图3为目前广泛应用的光学窗口，它是由一片石英玻璃92镶嵌到一个金属法兰盘91里做成的，金属法兰盘91本身体积和重量都较大。安装真空的时候，需要把图3的光学窗口的金属法兰盘91用螺丝固定到真空腔外部，当对称安装好光学窗口后，真空装置的径向尺寸就会增加两个金属法兰盘的厚度，使得真空装置变得庞大和笨重。另外固定这些光学窗口的螺丝在搬运的过程中可能会松动从而造成真空漏气，不利于长期稳定性。同时，若光学窗口通光口径不变，探测区的径向尺寸越大，荧光收集的立体角就越小，信噪比就越差，这样就限制了干涉仪的精度。

在拉曼干涉过程中，若不同水平位置的原子感受到的拉曼光波前有差别，将会对干涉条纹造成相移，测量结果会有系统误差。其中，拉曼光自上而下穿过真空装置的上窗口、下窗口，这些玻璃特别是下窗口的玻璃表面的不平整会造成波前畸变，带来系统误差，且难以评估，最好是从源头消除掉这项误差，即保证玻璃的平整度。目前绝大部分的真空装置的上窗口和下窗口是由如图3的光学窗口安装的。由光学窗口本身结构所限，里面的石英玻璃92很难做得厚，如图3的石英玻璃92所示，厚度只有3.18mm。这么薄的石英玻璃，即使本身平整度做高了，在压接的时候也会造成变形。另外在抽高真空之后，内外差了一个大气压，使得薄玻璃进一步发生形变。如此，上下窗口带来的波前畸变不可忽视。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种用于小型化原子干涉仪的真空装置。

(二)技术方案

本公开提供了一种真空装置，用于小型化原子干涉仪，包括：上窗口、方腔、真空组件和下窗口，所述真空组件安装于所述方腔和下窗口之间，方腔的上孔连接上窗口；所述真空组件包括：由上至下依次连接部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件；所述连接部件连接方腔的下孔，所述探测部件安装下窗口，所述原子源部件安装于三维磁光阱部件。

在本公开的一些实施例中，所述三维磁光阱部件为八角柱形腔，所述八角柱形腔的每个面均开孔；顶面的上孔用于安装连接部件，底面的下孔用于安装干涉部件，一个侧面的侧孔安装原子源部件，其余七个侧面的侧孔内嵌焊接光学窗口，且四周开有螺纹孔，用以安装外部的光学部件。

在本公开的一些实施例中，还包括反亥姆赫兹线圈，所述反亥姆赫兹线圈沿八角形柱腔上下两端的管壁绕制。

在本公开的一些实施例中，所述原子源部件采用以下两种结构之一：铜管铷源和角阀；所述铜管内装有原子的安瓿瓶，所述铜管封接到角阀，所述角阀紧贴三维磁光阱竖直安装；铷源耗损片和真空电极；所述铷源耗损片固定在所述真空电极上，所述铷源耗损片与所述真空电极整体放置于三维磁光阱部件内部。

在本公开的一些实施例中，所述探测部件为六个面都开孔的长方体，其顶面的上孔与所述干涉部件连接，底面的下孔与所述下窗口连接，侧面的侧孔采用不对称开孔的方式，用来通探测光的第一侧孔开在相对的两个第一侧面，用来收集荧光的第二侧孔开在相对的两个第二侧面，所述第一侧面小于第二侧面，所述第一侧孔小于第二侧孔。

在本公开的一些实施例中，所述上窗口和下窗口均采用双面镀增透膜的加厚玻璃配合无氧铜圈或铟丝进行封接，除所述上窗口和下窗口之外的光学窗口均通过内嵌焊接的方式固定。

在本公开的一些实施例中，所述干涉部件为一中空的圆形管道。

在本公开的一些实施例中，适用于原子陀螺仪，所述干涉部件为矩形管道，侧面开孔并安装或焊接光学窗口。

在本公开的一些实施例中，适用于小型化原子干涉重力梯度计，所述探测部件与所述下窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。

在本公开的一些实施例中，适用于小型化原子干涉重力梯度计，方腔上孔安装另一连接部件，在所述另一连接部件与所述上窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

(1)三维磁光阱变得更加扁平，不仅节约了设备成本，还减小了真空装置的重量和尺寸，便于实现原子干涉仪的小型化。

(2)产生梯度磁场所需的电流小，发热量很小，不需要额外的冷却手段。

(3)原子源部件避免了二维磁光阱在真空装置中的使用，进而大大减小了真空装置的体积，使得后续磁屏蔽的结构更加灵活，安装更加方便，屏蔽效果更好。

(4)探测部件采用不对称的开孔方式，加上内嵌焊接相应大小的光学窗口，使得成像所用的光学窗口直径尽可能大并且尽可能地接近探测部件中心，扩大了荧光收集的立体角，能极大提高荧光收集效率。

(5)上窗口和下窗口的玻璃厚度大，表面不平整度小，安装以及抽真空的时候不易造成形变，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。除上窗口和下窗口之外的光学窗口直接内嵌焊接到真空装置的相应位置处，真空装置的体积和重量都大大减小，结构变得简单可靠，有利于系统的小型化和长期的真空稳定性。

附图说明

图1为三维磁光阱中反亥姆赫兹线圈及其形成的磁场梯度的示意图。

图2为现有原子干涉仪的探测部件的结构示意图。

图3为现有原子干涉仪所用的光学窗口的结构示意图。

图4为本公开实施例的用于小型化原子干涉仪的真空装置的整体结构示意图。

图5a、图5b分别为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件的两个俯视图。

图6为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件及反亥姆赫兹线圈的结构示意图。

图7为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件的光学窗口结构示意图。

图8为本公开实施例真空装置的上窗口结构示意图。

图9为本公开另一实施例的真空装置的整体结构示意图。

图10为本公开又一实施例的真空装置的整体结构示意图。

【符号说明】

1-上窗口；2-方腔；3、3’、3”-连接部件；4、4’-原子源部件；5、5’-三维磁光阱部件；6、6’-干涉部件；7、7’-探测部件；8-下窗口；9-带法兰盘的光学窗口；11-玻璃；12-扣件；

51-反亥姆赫兹线圈的上线圈；52-光学窗口；53-三维冷却陷俘的原子团；54-反亥姆赫兹线圈的下线圈；521-金属环；522-石英玻璃；91-金属法兰盘；92-石英玻璃。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本公开一实施例提供了一种真空装置，用于小型化原子干涉仪。如图4所示，真空装置由上至下依次包括：上窗口1、方腔2、连接部件3、原子源部件4、三维磁光阱部件5、干涉部件6、探测部件7、下窗口8。

方腔2为六面开孔的长方体，在一个示例中，长方体大小为160×80×80mm³。上孔用于安装上窗口1，下孔用于安装连接部件3，水平方向上的一个侧孔用于安装角阀，一个侧孔用于安装真空复合泵，剩下的两个侧孔用盲法兰封起来，也可根据需求连接其他部件。

连接部件3一端连接方框2的下孔，一端连接三维磁光阱部件5。

如图5a所示，三维磁光阱部件5为八角柱形腔，即十面体，每个面都开孔。在一个示例中，八角柱形腔的高度为38mm；对于八角柱形腔的顶面和底面，其第一对边和第二对边的边长为36.2mm，其中第一对边的两条边相互平行且相距84mm；第二对边的两条边相互平行且相距84mm；，且第一对边和第二对边相互垂直。顶面和底面的第三对边和第四对边的边长为33.8mm，其中第三对边的两条边相互平行且相距85mm；，第四对边的两条边相互平行且相距85mm，且第三对边和第四对边相互垂直。

八角柱形腔顶面的上孔用于安装连接部件3，底面的下孔用于安装干涉部件6，水平方向上的一个侧孔制成法兰面，用于安装原子源部件4，其余7个侧孔用于内嵌焊接光学窗口，这7个侧孔所在的侧面四周打上螺纹孔用以安装外部的光学部件，外部部件包括激光光束发射器和反射镜。参见图5b，光学窗口a、c、e、g外接激光光束发射器，用来通水平方向的冷却光，水平方向的四束冷却光配合竖直方向上与拉曼光重合的一束冷却光经下窗口8下方的拉曼反射镜反射形成驻波，即水平方向的四束冷却光配合竖直方向的驻波实现原子的冷却囚禁。光学窗口b、d外接激光光束发射器，用来通入在初态制备中的态制备光、清除光。光学窗口f是用来放置态制备光需要用到的反射镜镜架，法兰面h用来放置原子源部件4。

其中在真空装置下窗口8与底部反射镜之间还需要加一个1/4波片，竖直方向上的冷却光与拉曼光共用一个激光光束发射器。真空装置上窗口1上方激光光束发射器发出拉曼光，穿过整个真空装置，再通过下窗口8下方的拉曼反射镜反射上去。真空装置上窗口1上方激光光束发射器还发出竖直方向的冷却光，同样经过下窗口8下方的拉曼反射镜反射上去，与拉曼光重合。

初态制备后的原子下落至干涉部件6，与竖直方向上的拉曼光相互作用，原子产生干涉，最后原子落到探测部件7，对原子进行探测。相对三维磁光阱部件中6窗口加6激光光束发射器进行冷却陷俘的方案，本申请的三维磁光阱变得更加扁平，不仅节约了设备成本，还减小了真空装置的重量和尺寸，便于实现原子干涉仪的小型化。

三维磁光阱部件5还绕制有反亥姆赫兹线圈。由于三维磁光阱部件的八角形柱腔很扁平，也就是高度很小，这样就可以在八角形柱腔上下两端分别沿着连接部件3的管壁和干涉部件6的管壁绕制反亥姆赫兹线圈，如图6所示，51为反亥姆赫兹线圈的上线圈，52为八角形柱腔的一个光学窗口，即图5b中的光学窗口d，53为三维冷却陷俘的原子团，54为反亥姆赫兹线圈的下线圈。在一个示例中，八角柱形腔顶面和底面分别内陷2mm，上线圈和下线圈相距34mm，每个线圈是由直径1mm的铜漆包线沿着管道外径绕制而成的共绕4层，每层10圈。管道外径44mm。这样的反亥姆赫兹线圈，当通2A的电流时，会产生如图1所示的梯度磁场中心磁场竖直方向上的梯度为0.1Tesla/m，满足三维冷却的需求。由于所通电流小，发热量很小，所以不需要额外的冷却手段。

图7为三维磁光阱部件中的其中一个光学窗口。其中，521为钛环，522为石英玻璃。把光学窗口内嵌到同样为钛材质的真空装置后，把钛环521的凸台部分与真空装置焊接起来即可。在一个示例中，采用三种规格的光学窗口，按玻璃直径划分，分别为20mm、26mm、44mm。其中包括3个20mm直径的光学窗口，分别固定于三维磁光阱部件的3个侧孔，用于通初态制备的态制备光、清除光；6个26mm直径的光学窗口，这其中的4个光学窗口分别固定于三维磁光阱部件的4个侧孔，通水平方向的冷却光。另外2个光学窗口固定于探测部件，通探测光；2个44mm直径的光学窗口，固定于探测部件，使得原子荧光能够以一个较大立体角进入真空装置外面的荧光收集系统。

原子源部件4可以采用两种结构。一种包括铜管铷源和角阀。铜管内装有实验所用原子的安瓿瓶，角阀用于调控原子流速。铜管封接到角阀之后，角阀紧贴三维磁光阱5竖直安装，从而将原子源部件4固定于三维磁光阱5。另一种包括铷源耗损片和真空电极。通过将铷源耗损片固定在真空电极上，然后铷源耗损片和真空电极整体放到三维磁光阱5内部的真空环境，真空电极的一端引出三维磁光阱5外，用来从外部通电，激发置换反应，使得铷源耗损片向三维磁光阱中心射出铷原子。这两种结构各有优点，其共同的优点是避免了二维磁光阱在真空装置中的使用，进而大大减小了真空装置的体积，使得后续磁屏蔽的结构更加灵活，安装更加方便，屏蔽效果更好。

探测部件7为六个面都开孔的长方体，在一个示例中，长方体的大小为68×55×60mm³。其中上孔与干涉部件6连接，下孔与下窗口8连接，干涉部件6为一中空的圆形管道。水平方向上，相对的两个侧面的侧孔用来通探测光，这两个侧面的面积为55×60mm²，侧孔内嵌焊接玻璃直径为26mm的光学窗口；另一对相对的两个侧面的侧孔用来收集荧光，这两个侧面的面积为68×60mm²，内嵌焊接玻璃直径为44mm的光学窗口。同时水平方向上的四个侧孔四周打上螺纹孔用以安装外部的光学部件。在本实施例中，用于收集荧光的一对光学窗口，其玻璃直径为44mm，玻璃外侧离探测部件7的中心距离为18mm，如果把穿过光学窗口的荧光全部收集，由顶角为20的圆锥立体角计算公式Ω＝2π(1-cosθ)，这里对应0＝arctan(22/18)＝0.885，算得立体角Ω＝2π×0.3667，则荧光收集效率因为本申请是一对光学窗口进行对称探测，则总的荧光收集效率最大可达36.6％，相比于现有多数原子干涉仪不到10％的荧光收集效率，是一个非常大的改进。这种不对称的开孔方式，加上内嵌焊接相应大小的光学窗口，使得成像所用的光学窗口直径尽可能大并且尽可能地接近探测部件中心，也就是扩大了荧光收集的立体角，能极大提高荧光收集效率。

上窗口1和下窗口8均用玻璃封接。在一个示例中，玻璃厚度为15mm，直径为50mm，玻璃的上表面和下表面均镀有所需波段的增透膜，且表面不平整度小于λ/20(@632nm)。玻璃11可配合扣件12、无氧铜圈或铟丝进行封接。其中上窗口封接到在方腔的上孔，如图8所示，下窗口8封接到探测部件7的下孔。由于玻璃很厚，安装以及抽真空的时候不易造成形变，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。

除了上窗口1和下窗口8之外的光学窗口都是直接内嵌焊接到真空装置的相位位置处，相比于用法兰封接的方法，真空装置的体积和重量都大大减小，结构变得简单可靠，有利于系统的小型化和长期的真空稳定性。

本公开另一实施例的真空装置，如图9所示，与上述实施例不同之处在于，将连接部件3、原子源部件4、三维磁光阱部件5、干涉部件6、探测部件7看作一个真空组件，则本实施例的真空装置包括两组结构相同的真空组件。探测部件7的下孔连接连接部件3’、连接部件3’依次连接三维磁光阱部件5’、干涉部件6’、探测部件7’，探测部件7’的下孔安装下窗口8，原子源部件4’安装于三维磁光阱部件5’。本实施例的真空装置适用于小型化原子干涉重力梯度计。

本公开又一实施例的真空装置，如图10所示，与上述实施例不同之处在于，本实施例的真空装置也包括两组结构相同的真空组件、以及一连接部件3”。具体来说，相对于上述实施例，方腔2的上孔并未安装上窗口1，而是安装一连接部件3”，在上窗口1和连接部件3”之间安装有另一组真空组件。连接部件3’的上孔安装上窗口1，连接部件3’的下孔连接三维磁光阱部件5’，三维磁光阱部件5’依次连接干涉部件6’、探测部件7’，探测部件7’的下孔安装于连接部件3”，原子源部件4’安装于三维磁光阱部件5’。本实施例的真空装置也适用于小型化原子干涉重力梯度计。

对于上述两个实施例来说，两组真空组件的连接部件的长度不必相等，可根据实际需求更改。对以上所涉及到的原子干涉重力梯度计的两种真空装置而言，在同一个真空装置中，工作时都是在上、下两个三维磁光阱部件5、5’中同时进行原子的三维冷却陷俘，特别的，他们共用竖直方向上的冷却光。在拉曼干涉过程中，上、下两个原子团又共用一对拉曼光。最终两个原子团下落到上、下两个探测部件7、7’当中进行末态探测，根据两个三维磁光阱部件5、5’中心距离这个参数，可推算出重力梯度。

本公开又一实施例的真空装置，干涉部件6为矩形管道，在同一水平面的四个侧面均开有侧孔，侧孔安装或焊接光学窗口，适用于原子陀螺仪。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空装置，用于小型化原子干涉仪，包括：上窗口、方腔、真空组件和下窗口，所述真空组件安装于所述方腔和下窗口之间，方腔的上孔连接上窗口；

所述真空组件包括：由上至下依次连接部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件；所述连接部件连接方腔的下孔，所述探测部件安装下窗口，所述原子源部件安装于三维磁光阱部件。

2.如权利要求1所述的真空装置，所述三维磁光阱部件为八角柱形腔，所述八角柱形腔的每个面均开孔；

顶面的上孔用于安装连接部件，底面的下孔用于安装干涉部件，一个侧面的侧孔安装原子源部件，其余七个侧面的侧孔内嵌焊接光学窗口，且四周开有螺纹孔，用以安装外部的光学部件。

3.如权利要求2所述的真空装置，还包括反亥姆赫兹线圈，所述反亥姆赫兹线圈沿八角形柱腔上下两端的管壁绕制。

4.如权利要求1所述的真空装置，所述原子源部件采用以下两种结构之一：

铜管铷源和角阀；所述铜管内装有原子的安瓿瓶，所述铜管封接到角阀，所述角阀紧贴三维磁光阱竖直安装；

铷源耗损片和真空电极；所述铷源耗损片固定在所述真空电极上，所述铷源耗损片与所述真空电极整体放置于三维磁光阱部件内部。

5.如权利要求1所述的真空装置，所述探测部件为六个面都开孔的长方体，其顶面的上孔与所述干涉部件连接，底面的下孔与所述下窗口连接，侧面的侧孔采用不对称开孔的方式，用来通探测光的第一侧孔开在相对的两个第一侧面，用来收集荧光的第二侧孔开在相对的两个第二侧面，所述第一侧面小于第二侧面，所述第一侧孔小于第二侧孔。

6.如权利要求1所述的真空装置，所述上窗口和下窗口均采用双面镀增透膜的加厚玻璃配合无氧铜圈或铟丝进行封接，除所述上窗口和下窗口之外的光学窗口均通过内嵌焊接的方式固定。

7.如权利要求1所述的真空装置，所述干涉部件为一中空的圆形管道。

8.如权利要求1所述的真空装置，适用于原子陀螺仪，所述干涉部件为矩形管道，侧面开孔并安装或焊接光学窗口。

9.如权利要求1所述的真空装置，适用于小型化原子干涉重力梯度计，所述探测部件与所述下窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。

10.如权利要求1所述的真空装置，适用于小型化原子干涉重力梯度计，方腔上孔安装另一连接部件，在所述另一连接部件与所述上窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。