CN109269501A - 冷原子干涉惯性测量系统 - Google Patents

Abstract

一种所述冷原子干涉惯性测量系统包括：原子源，用于提供待冷却原子；激光发生装置，用于输出入射冷却光和入射拉曼光；反射式光栅，所述入射冷却光和入射拉曼光入射到所述反射光栅表面后发生反射，所述入射冷却光经所述反射式光栅反射后冷却所述待冷却原子为冷原子，一束所述入射拉曼光经所述反射式光栅反射产生四束反射拉曼光，所述四束反射拉曼光和所述入射拉曼光操控所述冷原子获得所述冷原子干涉条纹。本发明提供的冷原子干涉惯性测量系统结构简单容易小型化。

Description

冷原子干涉惯性测量系统

技术领域

本发明涉及高精度惯性导航领域，尤其涉及一种冷原子干涉惯性测量系统。

背景技术

冷原子干涉惯性测量系统利用相干光操控物质波干涉来测量极其细微的相位变动，被广泛应用于精密测量领域，是研发新一代高精度惯性传感器件的基础。

冷原子干涉惯性测量系统使用磁光阱冷却并捕获冷原子，磁光阱通常采用经典的六束光对射的磁光阱构型。冷原子干涉系统通常还使用一组对射/对抛的原子束/团来输出一轴加速度和一轴转动角速度，多轴测量则使用多套系统分别输出不同轴的加速度与角速度。

传统的冷原子干涉惯性测量系统结构较为复杂，难以实现系统的小型化。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种结构简单且小型化的冷原子干涉惯性测量系统。

一种冷原子干涉惯性测量系统，包括：

原子源，用于提供待冷却原子；

激光发生装置，所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光；

反射式光栅，所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光光入射到所述反射光栅表面后发生反射，所述二维反射式光栅的表面具有二维周期结构，所述入射冷却光经所述反射式光栅的表面反射后冷却所述待冷却原子为冷原子，一束所述入射拉曼光经所述反射式光栅反射产生四束反射拉曼光。

在一个实施例中，还包括真空腔室，所述反射式光栅设置在所述真空腔室内。

在一个实施例中，所述激光发生装置设置在所述真空腔室外，通过所述真空腔室的腔壁上的窗口所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光到所述真空腔室中。

在一个实施例中，所述原子源为碱金属铷原子源。

在一个实施例中，所述激光发生装置为半导体激光器或气体激光器。

在一个实施例中，所述入射拉曼光包括三个脉冲，控制所述三个脉冲为控制时序为π/2-π-π/2的脉冲序列，所述三个脉冲的间隔时间分别为一个激光周期。

在一个实施例中，所述系统还包括磁性装置，设置在垂直所述二维反射式光栅的表面方向上的两侧，并不遮挡所述入射冷却光和入射拉曼光入射到所述二维反射光栅的表面，用于产生梯度磁场与所述入射冷却光一起囚禁并冷却所述待冷却原子。

在一个实施例中，所述磁性装置为反亥姆霍兹线圈，通过调解所述磁性装置中电流大小可调解所述冷原子的囚禁区域距离所述反射式光栅的距离。

在一个实施例中，所述系统还包括探测装置，用于探测所述冷原子干涉条纹。

在一个实施例中，所述探测装置包括：

探测光发生装置，设置在所述真空腔室外，所述探测光发生装置输出的探测光通过所述真空腔室腔壁上的窗口照射到所述冷原子；

电荷藕合器件图像传感器，与所述真空腔室腔壁上的窗口连接设置，用于收集所述自发辐射荧光信号得到空间分布的明暗条纹。

在一个实施例中，所述系统还包括图像反演设备，所述图像反演设备用于对所述空间分布的明暗条纹进行反演，获得所述冷原子的角速度和加速度。

本发明提供的冷原子干涉惯性测量系统通过采用反射式光栅使得一束所述入射拉曼光经所述反射式光栅反射产生四束反射拉曼光，提供了六个自由度惯性量同时测量的拉曼光，从而实现同时对惯性导航所需三轴加速度、三轴角速度信号的测量。此冷原子干涉惯性测量系统结构简单容易小型化。

附图说明

图1为本发明一个实施例的冷原子干涉惯性测量系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中反射式光栅反射入射拉曼光示意图；

图3为本发明一个实施例中拉曼光结构示意图。

主要元件符号说明

冷原子干涉惯性测量系统 10

真空腔室 100

原子源 200

激光发生装置 300

入射冷却光 310

拉曼光 320

反射式光栅 400

一级反射光 401

磁性装置 500

探测装置 600

探测光发生装置 610

电荷藕合器件图像传感器 620

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种冷原子干涉惯性测量系统10。所述冷原子干涉惯性测量系统10包括：真空腔室100、原子源200、激光发生装置300、反射式光栅400。原子源200给所述真空腔室100提供待冷却原子。激光发生装置300设置在所述真空腔室100外，通过所述真空腔室100的腔壁上的窗口所述激光发生装置300输出入射冷却光310和入射拉曼光320到所述真空腔室100中。反射式光栅400设置在所述真空腔室100内所述入射冷却光310和入射拉曼光320入射到所述反射光栅400表面后发生反射，所述反射式光栅400的表面具有二维周期结构。一束所述入射拉曼光320经所述反射式光栅400反射产生四束反射拉曼光。所述四束反射拉曼光和所述入射拉曼光操控所述冷原子获得冷原子干涉条纹。在一个实施例中，所述激光发生装置也可设置在所述真空腔室内。在另一个实施例中，特定真空环境下，所述真空腔室100也不必须存在。

所述原子源200为所述冷原子干涉惯性测量系统10提供待冷却原子。所述原子源200可包括固态原子团。所述固态原子团可设置在容器中，通过加热使所述固态原子团气化为原子气体。所述固态原子团也可通过激光直接照射变为原子气体。所述原子源200也可以包括一容器和收容在所述容器内的原子气体，控制所述容器使所述原子气体输出。所述固态原子团或原子气体可以为碱金属铷原子也可以为锂原子、钠原子、钾原子、铯原子、钫原子。所述激光发生装置300可以包括两台激光器分别用于输出入射冷却光310和入射拉曼光320。在一个实施例中，所述激光发生装置300只包括一台激光器，通过调节所述激光器的控制开关分别输出入射冷却光310和入射拉曼光320。所述激光发生装置300可以为半导体激光器或气体激光器。采用一台激光器使得所述冷原子干涉惯性测量系统10更简单，也降低了制作成本。所述原子源200中的原子也可以为非碱金属。

传统的冷原子干涉测量传感器只能有一对拉曼光，不能同时测量六个自由度惯性量，只能通过增加激光器同时入射三束激光才可以同时测量六个自由度惯性测量量。而本发明提供的冷原子干涉惯性测量系统10通过采用反射式光栅400使得一束所述入射拉曼光320经所述反射式光栅400反射产生四束反射拉曼光，所述四束反射拉曼光和所述入射拉曼光220一共为五束拉曼光，每两束拉曼光会发生干涉，提供六个自由度惯性量同时测量的拉曼光，从而实现同时对惯性导航所需三轴加速度、三轴角速度信号的测量。此冷原子干涉惯性测量系统结构简单容易小型化。

在一个实施例中，所述激光发生装置300输出的入射拉曼光320操控为脉冲光操控，控制时序为π/2-π-π/2的脉冲序列，所述脉冲序列间隔时间为一个激光周期。

在一个实施例中，所述反射式光栅400的表面为二维周期结构使所述入射拉曼光320的零级反射光被抑制。所述二维周期结构可为圆形、方形、菱形、波浪形。

在一个实施例中，所述原子源200设置在所述真空腔室100外侧，对所述原子源200加热输出原子气，所述原子气通过管道扩散到真空腔室100中。

在一个实施例中，所述冷原子干涉惯性测量系统10还包括磁性装置500，设置在垂直所述反射式光栅400的表面方向上的两侧，并不遮挡所述入射冷却光310和入射拉曼光320入射到所述反射光栅400的表面，用于产生梯度磁场与所述入射冷却光310一起囚禁并冷却所述待冷却原子。在一个实施例中，所述磁性装置500设在所述真空腔室100周围，相对所述反射式光栅400设置。所述磁性装置500还可以为恒定磁场。最优地，所述磁性装置500为反亥姆霍兹线圈，为所述待冷却原子发射提供梯度磁场。所述待冷却原子发射通过重力实现。通过调解所述磁性装置500中电流大小可调解待冷却原子的囚禁区域距离所述反射式光栅400的距离。待冷却原子的囚禁区域离所述反射式光栅400的距离跟所述囚禁区域内的磁场大小有关。通过调节所述磁性装置500中电流大小可改变所述囚禁区域内的磁场大小，从而改变待冷却原子的囚禁区域距离所述反射式光栅400的距离。

在一个实施例中，所述原子干涉惯性测量系统10还包括探测装置600，用于探测所述冷原子。根据探测装置的不同，所述探测装置600可放置在所述真空腔室100内或真空腔室100外能观测到所述真空腔室100内的位置。

在一个实施例中，所述探测装置600包括：探测光发生装置610设置在所述真空腔室100外，所述探测光发生装置610输出的探测光通过所述真空腔室100腔壁上的窗口照射到所述冷原子；电荷藕合器件图像传感器620与所述真空腔室100腔壁上的窗口连接设置，用于收集所述自发辐射荧光信号得到空间分布的明暗条纹。所述探测光发生装置610可以为一台激光器。所述探测光发生装置610设置在所述真空腔室100外，但所述探测光发生装置610发射的一束探测光照射所述真空腔室100内的冷原子，以使所述冷原子自发辐射荧光信号。所述电荷藕合器件图像传感器620也最好设置在所述真空腔室100外能观测到所述冷原子的位置上，所述探测光发生装置610收集所述自发辐射荧光信号得到空间分布的明暗条纹。

在一个实施例中，对所述空间分布的明暗条纹进行分析的方法为利用计算机对所述空间分布的明暗条纹进行反演，获得所述冷原子的角速度和加速度。

本发明一种冷原子干涉惯性测量系统10整体上为陀螺仪装置。所述陀螺仪装置包括反射式光栅400和磁性装置500组成的磁光阱。利用反射式光栅400大幅减少系统光路复杂度，提高系统可靠性。所述陀螺仪装置利用磁光阱捕获待冷却原子，利用入射拉曼光320操控不同速度的冷原子形成多个干涉路径，利用高空间分辨率的电荷藕合器件图像传感器620成像阵列探测各路干涉路径的相位信息，从而得到系统相对惯性空间的加速度、角速度。

请参见图2，为所述反射式光栅400反射入射拉曼光320示的意图。所述反射式光栅400反射入射拉曼光310时零级反射光被抑制，四束一级反射拉曼光401效率最大且维持偏振状态，一级反射拉曼光401总反射效率一般大于50％。反射式光栅400表面的二维周期结构的周期由用于操控冷原子的激光波长及四级次反射角而定，由光栅公式计算。反射式光栅400表面的二维周期结构的形状任意，只需满足上述对零级和一级反射光401的要求即可。

请参见图3，所述入射拉曼光包括三个脉冲，所述三个脉冲为控制时序为π/2-π-π/2的脉冲序列，所述三个脉冲的间隔时间分别为一个激光周期。

根据图1，对本发明冷原子干涉惯性测量系统10具体工作过程进行说明。

第一步，对所述原子源200进行加热，使原子气化扩散到所述真空腔室100中。调节所述激光发生装置300输出入射冷却光310，所述入射冷却光310入射到所述发射式光栅400表面的二维周期结构上发生反射产生反射光，所述反射光将待冷却原子冷却囚禁在真空腔室100的具有磁场梯度变化的区域I内。关闭入射冷却光310，所述冷原子从囚禁区域I自由下落。

第二步，当所述冷原子到达区域II，调节所述激光发生装置300输出入射拉曼光320，所述入射拉曼光320的脉冲控制序列为π/2-π-π/2，所述脉冲控制序列先后间隔演化时间为一个激光周期T。所述入射拉曼光320与所述冷原子作用于区域II，其中所述反射式光栅400反射拉曼光与重力方向夹角为θ。具有不同初速度的冷原子与不同等效波矢的反射拉曼光和入射拉曼光作用后形成多个干涉路径。一束所述入射拉曼光经所述反射式光栅反射产生四束反射拉曼光，所述四束反射拉曼光和所述入射拉曼光220一共为五束拉曼光，每两束拉曼光会发生干涉，操控所述冷原子获得干涉条纹可同时得到六个自由度惯性量。使得所述冷原子干涉惯性测量系统10结构简单，具有小型化。关闭激光发生装置300，所述冷原子继续自由落体。

步骤三，等到所述冷原子到达区域III，依据时序打开探测光发生装置610发生装置发出探测光，所述探测光与所述冷原子作用于区域III。不同干涉路径的冷原子因积累相位不同而对探测光散射强度不同。所述冷原子散射的探测光即自发辐射荧光信号被电荷藕合器件图像传感器620CCD阵列收集得到空间分布的明暗条纹。利用图像反演设备反演所述明暗条纹，获得所述冷原子的六自由度的干涉惯性测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，包括：

原子源，用于提供待冷却原子；

激光发生装置，所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光；

反射式光栅，所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光光入射到所述反射光栅表面后发生反射，所述二维反射式光栅的表面具有二维周期结构，所述入射冷却光经所述反射式光栅的表面反射后冷却所述待冷却原子为冷原子，一束所述入射拉曼光经所述反射式光栅反射产生四束反射拉曼光。

2.如权利要求1所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，还包括真空腔室，所述反射式光栅设置在所述真空腔室内。

3.如权利要求2所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，所述激光发生装置设置在所述真空腔室外，通过所述真空腔室的腔壁上的窗口所述激光发生装置输出入射冷却光和入射拉曼光到所述真空腔室中。

4.如权利要求2所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，所述激光发生装置为半导体激光器或气体激光器。

5.如权利要求2所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，控制所述入射拉曼光包括三个脉冲，所述三个脉冲为控制时序为π/2-π-π/2的脉冲序列，所述三个脉冲的间隔时间分别为一个激光周期。

6.如权利要求2所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，还包括磁性装置，设置在垂直所述二维反射式光栅的表面方向上的两侧，并不遮挡所述入射冷却光和入射拉曼光入射到所述二维反射光栅的表面，用于产生梯度磁场与所述入射冷却光一起囚禁并冷却所述待冷却原子。

7.如权利要求6所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，所述磁性装置为反亥姆霍兹线圈，通过调解所述磁性装置中电流大小可调解所述冷原子的囚禁区域距离所述反射式光栅的距离。

8.如权利要求2所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，还包括探测装置，用于探测所述冷原子干涉条纹。

9.如权利要求8所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，所述探测装置包括：

探测光发生装置，设置在所述真空腔室外，所述探测光发生装置输出的探测光通过所述真空腔室腔壁上的窗口照射到所述冷原子；

电荷藕合器件图像传感器，与所述真空腔室腔壁上的窗口连接设置，用于收集所述自发辐射荧光信号得到空间分布的明暗条纹。

10.如权利要求9所述的冷原子干涉惯性测量系统，其特征在于，还包括图像反演设备，所述图像反演设备用于对所述空间分布的明暗条纹进行反演，获得所述空间的角速度和加速度。