CN108981766A - 一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种Talbot‑Lau原子干涉仪的操控方法,使用了一种新的原子物质波衍射手段,突破了Raman‑Nath条件的限制,通过调控原子波包的衍射相位,对干涉条纹的对比度包络进行精确的操控,提高了干涉条纹对比度。本发明可在现有Talbot‑Lau原子干涉仪的基础上通过优化操控的方式实现干涉条纹对比度的增强,同时保持了干涉条纹的相位和检测信号的噪声水平,大幅提高了干涉仪的信噪比和相位测量灵敏度,可用于基于Talbot‑Lau原子干涉仪的精密测量。

Description

一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法
技术领域
本发明涉及原子精密测量技术领域,具体涉及一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法。该方法能够提高原子干涉仪的信噪比,同时保证原子干涉仪的相位稳定,可用于基于Talbot-Lau原子干涉仪的精密测量。
背景技术
近30年来,量子调控技术发展迅猛,其中,原子干涉仪因其超高的理论精度潜力,获得了全世界广泛的重视及研究。基于冷原子干涉仪制成的传感器,可被广泛应用于物理参数精密测量、时间测量及频标、地质勘测、惯性导航等领域,具有重要的应用前景及战略意义。在目前实现的干涉仪构型中,基于原子外部动量态相干操控的Talbot-Lau原子干涉仪因其对外部环境的适应性、对原子源温度的容忍性以及实现的简易性,在精密测量领域有着广泛的应用。
Talbot-Lau原子干涉仪的基本原理与光学Talbot-Lau类似,在时域和(或)空间域以特定的间隔对原子源进行衍射后,原子会在特定的时刻前后在空间中形成周期性结构,称之为原子干涉条纹,该时刻称之为回波时刻。原子干涉条纹的相位可用于进行加速度、重力、角速度等物理量的精密测量。原子干涉条纹相位的提取采用布拉格背向散射技术,通过一束探测光照射原子干涉条纹,根据布拉格条件,由于原子干涉条纹对比度的存在,可获得一束背向散射光,该背向散射光携带有原子干涉条纹的相位信息,可通过光外差的方法将其提取出来。背向散射光的幅值正比于原子干涉条纹的对比度,因此提高原子干涉条纹的对比度是利用Talbot-Lau干涉仪进行精密测量的核心技术和迫切需求。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是:针对Talbot-Lau原子干涉仪,提出了一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,该方法实施简单,可有效的增强Talbot-Lau原子干涉仪条纹对比度。
本发明的技术方案为:一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,使用了一种新的原子物质波衍射手段,调控原子干涉仪中原子波包的衍射相位,操控干涉条纹的对比度包络,实现对于干涉条纹对比度的增强。
所述的Talbot-Lau原子干涉仪包含N个脉冲,其中前N-1个脉冲为物质波衍射脉冲,第N个脉冲为检测脉冲,原子波包受到N-1个物质波衍射脉冲的作用,在原子回波时刻形成原子干涉条纹,该干涉条纹的包络受原子波包自身热运动的调制。
所述的原子物质波衍射脉冲由两束相向而行的同频激光A、B构成,两束激光的光强相同,偏振方向相同,横向模式重合,光的频率远离原子的共振吸收频率,两束激光的开通和关断受高频开关控制,开断时间(10%~90%)低于20ns;
所述的原子回波时刻是原子波包经过一系列衍射操作后重新重合的时刻,根据Talbot-Lau效应,原子反冲相位使得干涉条纹的对比度在回波时刻为0,而在回波时刻附近不为0。
所述的新的原子物质波衍射手段采用的物质波衍射脉冲不受Raman-Nath条件的限制,可根据原子干涉仪的构型,相应的调控衍射作用时间对原子波包在衍射过程中的衍射相位进行精确控制。
所述的原子波包的衍射相位,其特征在于是由原子物质波和衍射脉冲过程中由于原子热运动速度的Doppler频移所积累的相位φ。
本发明的原理为:
传统的Talbot-Lau原子干涉仪中,衍射脉冲需遵循Raman-Nath条件的限制。在该限制条件下,衍射脉冲作用时间t非常短暂,使得在此过程中可以忽略原子的运动。衍射脉冲作用于一个单色的原子波包|p>,可描述为:
其中θ是脉冲作用面积,Jn(x)是第n阶贝塞尔函数。可以看出,单色原子波包被衍射出多个动量级,相邻的两个动量级的动量差为第n动量级上的原子数比例为|Jn(θ)|2。在此之后,再施加若干类似的脉冲,可在特定时刻Techo的前后获得原子在空间中形成的周期性结构,即原子干涉条纹,其表达式如下:
其中是回波时刻,Ti是第i脉冲施加的时刻,是原子物质波获得的反冲相位,N是脉冲数目,是第i脉冲施加后两个干涉臂的动量差,且在回波时刻需要满足DN-1=±1是受限于采用的检测方法。可以看出,反冲相位使得原子干涉条纹对比度在回波时刻为0(Talbot-Lau效应)。考虑原子初始条件下的热运动速度分布,积分可得原子干涉条纹的表达式如下:
其中,u是原子热运动的最概然速率。可以看出,积分后原子热运动产生的项在t=Techo时刻取得最大值1,而随着|t-Techo|的增大,项快速衰减。因此,原子热运动与Talbot-Lau效应对干涉条纹对比度的影响是相反的:在t=Techo时刻,原子热运动使得干涉条纹对比度最高,但Talbot-Lau效应导致原子干涉条纹对比度为0。
本发明中,新的原子物质波衍射脉冲对原子波包的作用突破了Raman-Nath条件的限制。在这种情况下,需要在物质波衍射过程中考虑原子波包的运动,经过推导,作用后的单色原子波包表达式可写为:
可以看到,相比于Raman-Nath条件限制下的情况,新的衍射脉冲带来了额外的衍射相位项einφ,φ=Q·vt;同时还有原子波包的自由演化项在新的衍射脉冲作用后,保持后续的脉冲操作处于Raman-Nath条件限制,考虑原子的热运动,形成的干涉条纹表达式如下:
其中τ是新的衍射脉冲作用时间。可以看出,回波时刻未变,但受衍射相位的影响,原子热运动产生的项在时刻取得最大值1,相比于原来平移了τ。该平移导致了干涉条纹的包络发生改变,如果令τ=tmax,tmax为单色波干涉条纹最大值时间点,则可以实现干涉条纹对比度的增强。同时,由于原子波包的自由演化项的存在,干涉条纹的相位并未受新衍射脉冲作用时间的增加而改变,保持了测量的准确性。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明可以在现有Talbot-Lau原子干涉仪的基础上,通过优化控制参数,实现对原子干涉条纹对比度的大幅提高,增强了系统信噪比。通过控制衍射相位,可改变原有的干涉条纹对比度包络,增强对比度;与此同时,系统的噪声保持不变,因此增强了信噪比。本发明不需额外增加器件,具有简便易实现的特点。
(2)本发明在增强信号对比度的同时,并不影响原子干涉条纹的相位,保持了测量的准确性。根据理论推导可以看出,原子物质波包在与衍射脉冲相互作用的时间内,由原子物质波包自身动量引起的相位变化依旧在随衍射脉冲的作用时间增长而积累,并最终反应到原子干涉条纹的相位中,不会对基于原子干涉相位的精密测量造成影响。
附图说明
图1是本发明操控时序图;
图2是本发明测量干涉条纹幅度实验结果图。
具体实施方式
下面以三脉冲Talbot-Lau原子干涉仪为例,结合附图对本发明作进一步的描述。以下实施事例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
将铯原子冷却至多普勒冷却极限,铯原子团的温度约为125微开,最概然速度约为12.5cm/s。在t=T1=0时刻,同时打开A、B两激光,对冷却好的铯原子团进行第一次衍射。根据最概然速率的值,若可以忽略原子在衍射脉冲作用时间内的移动,Raman-Nath衍射条件限制脉冲长度<300ns,在此限制下,三脉冲原子干涉仪干涉条纹的表达式可写为:
考虑D1、D2有关的限制条件,可得D1=-D2=±1。当tmax=1.0384μs时,单色波干涉条纹取得最大值。因此,设定第一衍射脉冲的脉冲长度为1.0384μs,远超Raman-Nath衍射条件限制的脉冲长度。在t=T2=T时刻,同时打开A、B两激光,对铯原子团进行第二次衍射,该脉冲长度需符合Raman-Nath衍射条件的限制;最后,在t=2T-50us时刻,打开B激光,并将其幅值调为探测器阈值的50%;在t=2T-5us时刻,打开A激光,将其幅值调整为物质波衍射脉冲的70%,同时打开背向散射信号部分的光开关,记录形成的干涉信号,并进行解调,提取信号幅值随时间的演化信息。
图2是针对同一铯冷原子团采用传统Talbot-Lau原子干涉仪获得的幅度信号与采用本发明方法获得的幅度信号的对比。可以看出,采用本发明重的方法,原子干涉条纹包络的对比度提高至300%。实验结果验证了本发明的效果。

Claims (6)

1.一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:使用了一种新的原子物质波衍射手段,调控原子干涉仪中原子波包的衍射相位,操控干涉条纹的对比度包络,实现对于干涉条纹对比度的增强;新的原子物质波衍射脉冲对原子波包的作用突破了Raman-Nath条件的限制,在这种情况下,需要在物质波衍射过程中考虑原子波包的运动,经过推导,作用后的单色原子波包|p>表达式可写为:
其中,n代表衍射级数,Q是衍射脉冲的等效波矢,θ是脉冲作用面积,Jn(x)是第n阶贝塞尔函数,是约化普朗克常数;相比于Raman-Nath条件限制下的情况,新的衍射脉冲带来了额外的衍射相位项einφ,φ=Q·vt;同时还有原子波包的自由演化项在新的衍射脉冲作用后,保持后续的脉冲操作处于Raman-Nath条件限制,考虑原子的热运动,形成的干涉条纹表达式如下:
其中τ是第一衍射脉冲作用时间,u是原子团的最概然速度,是回波时刻,Ti是第i脉冲施加的时刻,是原子物质波获得的反冲相位,N是脉冲数目,是第i脉冲施加后两个干涉臂的动量差,可以看出,回波时刻未变,但受衍射相位的影响,原子热运动产生的项在时刻取得最大值1,相比于原来平移了τ,该平移导致了干涉条纹的包络发生改变,如果令τ=tmax,tmax为单色波干涉条纹最大值时间点,则可以实现干涉条纹对比度的增强,同时,由于原子波包的自由演化项的存在,干涉条纹的相位并未受新衍射脉冲作用时间的增加而改变,保持了测量的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:所述的Talbot-Lau原子干涉仪,包含N个脉冲,其中前N-1个脉冲为物质波衍射脉冲,第N个脉冲为检测脉冲,原子波包受到N-1个物质波衍射脉冲的作用,在原子回波时刻形成原子干涉条纹,该干涉条纹的包络受原子波包自身热运动的调制。
3.根据权利要求2所述的一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:所述的原子物质波衍射脉冲,由两束相向而行的同频激光A、B构成,两束激光的光强相同,偏振方向相同,横向模式重合,光的频率远离原子的共振吸收频率,两束激光的开通和关断受高频开关控制,开断时间(10%~90%)低于20ns。
4.根据权利要求2所述的一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:所述的原子回波时刻,原子波包经过一系列衍射操作后重新在空间中重合,根据Talbot-Lau效应,原子反冲相位使得干涉条纹的对比度在回波时刻为0,而在回波时刻附近不为0。
5.根据权利要求1所述的一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:所述的新的原子物质波衍射手段,所采用的物质波衍射脉冲不受Raman-Nath条件的限制,根据原子干涉仪的构型,相应的调控衍射作用时间对原子波包在衍射过程中的衍射相位进行精确控制。
6.根据权利要求1所述的一种Talbot-Lau原子干涉仪的操控方法,其特征在于:所述的原子波包的衍射相位,是由原子物质波和衍射脉冲过程中由于原子热运动速度的Doppler频移所积累的相位φ。
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