CN109781088B - 一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法。本发明装置包括：震动隔离平台(01)、激光系统(02)、真空腔(03)、二维磁光阱(07)、金字塔型磁光阱(09)、检测系统(10)、预冷却激光、囚禁激光束、探测激光、再泵浦激光、补偿激光、吹走激光、拉曼激光束对以及对应的激光光束发射器等。本装置的检测方法是采用点源干涉测量(PSI)技术，通过再泵浦激光激发碱金属样品获得碱金属原子团，然后经过冷却等操作在金字塔型磁光阱(11)中捕获原子，然后原子自由落体一段时间后，形成一个拓展原子球。再利用单个拓展原子球同时测量旋转量和加速度来实现陀螺仪功能。本发明结构简单，体积小，在高性能惯性导航系统中具有很高的应用价值。

Description

一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法

技术领域

本发明属于量子精密测量中的旋转量和加速度测量领域，特别涉及一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法

背景技术

原子干涉仪已用于测量重力，重力梯度、旋转和加速度。高精度原子干涉仪在技术和基础物理中具有潜在的应用。虽然高性能原子干涉仪在实验室环境中变得越来越普遍，但在移动车辆上只有少数发布的演示，包括在振动噪声环境中的机载加速度计演示。虽然是便携式的，但这些仪器非常复杂，运行它们的设备占用了几立方米。原子干涉仪陀螺仪甚至更复杂，因为它们需要具有独立原子发射和探测系统的反向传播原子源。简化构建原子干涉仪陀螺仪的方法可能最终有助于它们在便携式应用中的使用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法，包含：

震动隔离平台01、激光系统02、真空腔03、壳体04、反亥姆霍兹线圈对05、碱金属原子收集腔06、二维磁光阱07、二维磁光阱反向磁场线圈对08、金字塔型磁光阱09、检测系统10、移动平台C11、音圈电机C12、音圈电机控制系统13、音圈电机A14、移动平台A15、移动平台B16、移动平台D17、干涉腔18、激光光束发射器A E1、激光光束发射器B E2、激光光束发射器C E3、激光光束发射器D E4、激光光束发射器E E5、激光光束发射器F E6、激光光束发射器G E7、探测激光束L1、二维磁光阱预冷却激光束L2、补偿激光束L3、金字塔型磁光阱囚禁激光束L4、再泵浦激光束L5、拉曼脉冲对激光束L6、吹走激光束L7。

所述的震动隔离平台01包括微震仪，隔振面板，音圈电机和被动隔振平台，防止整个装置震动。壳体04包含磁场补偿线圈和磁场屏蔽的装置，使测量结果更加准确。

所述的激光系统02控制激光光束发射器A E1、激光光束发射器B E2、激光光束发射器C E3、激光光束发射器D E4、激光光束发射器E E5、激光光束发射器F E6、激光光束发射器G E7发射对应的激光束。探测激光束L1提供检测系统10所需要的探测光；二维磁光阱预冷却激光束L2用来预冷却碱金属原子；补偿激光束L3在金字塔型磁光阱09捕获碱金属原子时提供所需要的囚禁光束，在碱金属原子拓展阶段提供所需要的拉曼脉冲对激光束；金字塔型磁光阱囚禁激光束L4用来捕获碱金属原子；再泵浦激光束L5使检测完成的碱金属原子重新回到碱金属原子收集腔06完成下一轮的冷却、捕获、检测的循环；拉曼脉冲对激光束L6用于碱金属原子的拓展；吹走激光束L7用来完成碱金属原子的选态，选择磁不敏感的碱金属原子。

所述的碱金属原子收集腔06内部含有碱金属样品，提供整个装置所需要的碱金属原子。

所述的二维磁光阱07，在垂直于二维磁光阱07的方向上设置两对对射且相互垂直的激光光束发射器E2，以激光光束发射器E2为轴，对称地设置有二维磁光阱反相磁场线圈对08，构成二维磁光阱07。为下落的碱金属原子提供预冷却所需要的激光和磁场。

所述的反亥姆霍兹线圈对05提供了冷原子囚禁中所需的梯度磁场，梯度磁场产生的赛曼效应对于原子运动引起的多普勒频移起到一定的补偿作用，从而提高冷却光的利用率。

所述的金字塔型磁光阱09，金字塔外型为直径12mm、高为25mm的圆柱，内部由四个正交反射面组成，反射面镀有增反膜，对激光束的反射率大于99％。用金字塔型磁光阱囚禁激光束L4照射整个金字塔，由金字塔反射产生六束正交的捕获光、补偿激光束L3产生的补偿激光和反亥姆霍兹线圈对05提供的梯度磁场共同作用下在金字塔内部形成三维磁光阱。

1)捕获碱金属原子时金字塔型磁光阱09内部的光路及偏振条件：

金字塔型磁光阱囚禁激光束L4的直径为12mm，金字塔型磁光阱囚禁激光束L4正好充满整个金字塔型磁光阱09。以金字塔型磁光阱09一横截面为例，当一束光入射到金字塔型的反射镜上，以中心线左侧的光为例，它将先经由第一反射面反射，由垂直入射转为水平出射，再次遇到第二反射面，再转九十度角射出，与初始入射方向平行，向下出射。中心线右侧的光则反之。由此界面进行空间拓展，将金字塔的另外两个反射面考虑进来。金字塔型磁光阱09中间4mm直径的的下行光由补偿激光束L3补充。则原子在以金字塔下边缘四点都在面内的水平面以上的封闭空间内受到相互垂直的三个方向的两两相对的六束光作用，在由于反射面皆镀有高反膜，可忽略反射带来的能量损失，在此区域内原子受力平衡。光的偏振在每次发射过程中都将发生变化，金字塔型磁光阱囚禁激光束L4初始为圆偏振，补偿激光束L3此时补偿的是与金字塔型磁光阱囚禁激光束L4初始偏振方向相反的圆偏振光，所以三束两两相对的光都具有相反的偏振方向，在反亥姆霍兹线圈对05相应的电流方向的配合下，满足捕获冷原子的偏振条件。

2)原子拓展阶段的偏振条件：

拉曼脉冲对激光束L6的光束直径为12mm，正好充满整个金字塔。拉曼脉冲对激光束L6初始为线偏振光，经过两次金字塔型磁光阱09的反射镜反射，其线偏振光恰好转过90度向下出射，补偿激光束L3此时补偿的是与拉曼脉冲对激光束L6初始偏振方向相反的线偏振光。所以此时在干涉腔内上行线偏振光和下行线偏振光的偏振方向相反，构成反向拉曼脉冲对。满足碱金属原子拓展所需要的偏振条件。

所述的所述的检测系统17在碱金属原子的不同阶段获取对应的原子的吸收图像。并因此计算出旋转量和加速度，然后输出相应的值。

所述的移动平台A15上安装的是激光光束发射器D E4，移动平台B16上安装的是激光光束发射器E E5、移动平台C11上安装的是激光光束发射器F E6、移动平台D17安装的是激光光束发射器G E7。音圈电机控制系统13通过控制音圈电机来控制移动平台A15、移动平台B16、移动平台D17、移动平台C11移动到中心发射对应光束。每个光束的直径为12mm，补偿激光束L3光束本身直径为12mm，然后加上光阑，使其发射出来的光束为4mm。

所述的检测系统12与壳体05，激光系统02与壳体05的连接处均采用铟钢密封，确保整个装置内部处于高真空状态。

所述的检测方法如下：

收集碱金属原子的集合，通过二维磁光阱08的预冷却、最终在金字塔型磁光阱11中冷却并捕获原子。经过短暂的自由落体，可以解决多普勒敏感和不敏感的过渡，拉曼脉冲对激光束a3沿+z轴和-z轴两个方向上施加。碱金属原子则会出现拓展，至完全拓展后，原子上将会出现相位梯度。干涉相位梯度包含在原子群中，采用点源干涉测量PSI的方法分离加速度和旋转引起的相移，并由探测激光束a1读出，经由检测系统12处理相应的相位关系，然后利用相应的相移计算旋转量和加速度。

附图说明

图1为本发明提出的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置示意图。

图2为本发明的激光光束发射器D E4、激光光束发射器E E5、激光光束发射器FE6、激光光束发射器G E7、金字塔型磁光阱囚禁激光束L4、再泵浦激光束L6、拉曼脉冲对激光束L6、吹走激光束L7、移动平台C11、音圈电机控制系统13、移动平台A15、移动平台B16、移动平台D17分布的俯视图。

图3为本发明的金字塔型磁光阱11内光束反射截面图。

图中：

01—震动隔离平台；

02—激光系统；

03—真空腔；

04—壳体；

05—反亥姆霍兹线圈对；

06—碱金属原子收集腔；

07—二维磁光阱；

08—二维磁光阱反向磁场线圈对；

09—金字塔型磁光阱；

10—检测系统；

11—移动平台C；

12—音圈电机C；

13—音圈电机控制系统；

14—音圈电机A；

15—移动平台A；

16—移动平台B；

17—移动平台D；

18—干涉腔；

E1—激光光束发射器A；

E2—激光光束发射器B；

E3—激光光束发射器C；

E4—激光光束发射器D；

E5—激光光束发射器E；

E6—激光光束发射器F；

E7—激光光束发射器G；

L1—探测激光束；

L2—二维磁光阱预冷却激光束；

L3—补偿激光束；

L4—金字塔型磁光阱囚禁激光束；

L5—再泵浦激光束；

L6—拉曼脉冲对激光束；

L7—吹走激光束。

具体实施方式

为说明本发明的具体流程，以下将结合附图做详细的说明。

一：参考图1，一种小型化的原子干涉陀螺仪装置。本发明小型化的原子干涉陀螺仪装置包括：

震动隔离平台01、激光系统02、真空腔03、壳体04、反亥姆霍兹线圈对05、碱金属原子收集腔06、二维磁光阱07、二维磁光阱反向磁场线圈对08、金字塔型磁光阱09、检测系统10、移动平台C11、音圈电机C12、音圈电机控制系统13、音圈电机A14、移动平台A15、移动平台B16、移动平台D17、干涉腔18、激光光束发射器A E1、激光光束发射器B E2、激光光束发射器C E3、激光光束发射器D E4、激光光束发射器E E5、激光光束发射器F E6、激光光束发射器G E7、探测激光束L1、二维磁光阱预冷却激光束L2、补偿激光束L3、金字塔型磁光阱囚禁激光束L4、再泵浦激光束L5、拉曼脉冲对激光束L6、吹走激光束L7。

所述的震动隔离平台01包括微震仪，隔振面板，音圈电机和被动隔振平台，防止整个装置震动。壳体04包含磁场补偿线圈和磁场屏蔽的装置，使测量结果更加准确。

所述的激光系统02控制激光光束发射器A E1、激光光束发射器B E2、激光光束发射器C E3、激光光束发射器D E4、激光光束发射器E E5、激光光束发射器F E6、激光光束发射器G E7发射对应的激光束。探测激光束L1提供检测系统10所需要的探测光；二维磁光阱预冷却激光束L2用来预冷却碱金属原子；补偿激光束L3在金字塔型磁光阱09捕获碱金属原子时提供所需要的囚禁光束，在碱金属原子拓展阶段提供所需要的拉曼脉冲对激光束；金字塔型磁光阱囚禁激光束L4用来捕获碱金属原子；再泵浦激光束L5使检测完成的碱金属原子重新回到碱金属原子收集腔06完成下一轮的冷却、捕获、检测的循环；拉曼脉冲对激光束L6用于碱金属原子的拓展；吹走激光束L7用来完成碱金属原子的选态，选择磁不敏感的碱金属原子。

所述的碱金属原子收集腔06内部含有碱金属样品，提供整个装置所需要的碱金属原子。

所述的二维磁光阱07，在垂直于二维磁光阱07的方向上设置两对对射且相互垂直的激光光束发射器E2，以激光光束发射器E2为轴，对称地设置有二维磁光阱反相磁场线圈对(08)，构成二维磁光阱(07)。为下落的碱金属原子提供预冷却所需要的激光和磁场。

所述的反亥姆霍兹线圈对05提供了冷原子囚禁中所需的梯度磁场，梯度磁场产生的赛曼效应对于原子运动引起的多普勒频移起到一定的补偿作用，从而提高冷却光的利用率。

所述的金字塔型磁光阱09，金字塔外型为直径12mm、高为25mm的圆柱，内部由四个正交反射面组成，反射面镀有增反膜，对激光束的反射率大于99％。用金字塔型磁光阱囚禁激光束L4照射整个金字塔，由金字塔反射产生六束正交的捕获光、补偿激光束L3产生的补偿激光和反亥姆霍兹线圈对05提供的梯度磁场共同作用下在金字塔内部形成三维磁光阱。

3)捕获碱金属原子时金字塔型磁光阱09内部的光路及偏振条件：

金字塔型磁光阱囚禁激光束L4的直径为12mm，金字塔型磁光阱囚禁激光束L4正好充满整个金字塔型磁光阱09。参考图3，以金字塔型磁光阱09一横截面为例，当一束光入射到金字塔型的反射镜上，以中心线左侧的光为例，它将先经由第一反射面反射，由垂直入射转为水平出射，再次遇到第二反射面，再转九十度角射出，与初始入射方向平行，向下出射。中心线右侧的光则反之。由此界面进行空间拓展，将金字塔的另外两个反射面考虑进来。金字塔型磁光阱09中间4mm直径的的下行光由补偿激光束L3补充。则原子在以金字塔下边缘四点都在面内的水平面以上的封闭空间内受到相互垂直的三个方向的两两相对的六束光作用，在由于反射面皆镀有高反膜，可忽略反射带来的能量损失，在此区域内原子受力平衡。光的偏振在每次发射过程中都将发生变化，金字塔型磁光阱囚禁激光束L4初始为圆偏振，补偿激光束L3此时补偿的是与金字塔型磁光阱囚禁激光束L4初始偏振方向相反的圆偏振光，所以三束两两相对的光都具有相反的偏振方向，在反亥姆霍兹线圈对05相应的电流方向的配合下，满足捕获冷原子的偏振条件。

4)原子拓展阶段的偏振条件：

拉曼脉冲对激光束L6的光束直径为12mm，正好充满整个金字塔。拉曼脉冲对激光束L6初始为线偏振光，经过两次金字塔型磁光阱09的反射镜反射，其线偏振光恰好转过90度向下出射，补偿激光束L3此时补偿的是与拉曼脉冲对激光束L6初始偏振方向相反的线偏振光。所以此时在干涉腔内上行线偏振光和下行线偏振光的偏振方向相反，构成反向拉曼脉冲对。满足碱金属原子拓展所需要的偏振条件。

所述的所述的检测系统17在碱金属原子的不同阶段获取对应的原子的吸收图像。并因此计算出旋转量和加速度，然后输出相应的值。

参考图2，所述的移动平台A15上安装的是激光光束发射器D E4，移动平台B16上安装的是激光光束发射器E E5、移动平台C11上安装的是激光光束发射器F E6、移动平台D17安装的是激光光束发射器G E7。音圈电机控制系统13通过控制音圈电机来控制移动平台A15、移动平台B16、移动平台D17、移动平台C11移动到中心发射对应光束。每个光束的直径为12mm，补偿激光束L3光束本身直径为12mm，然后加上光阑，使其发射出来的光束为4mm。

所述的检测系统12与壳体05，激光系统02与壳体05的连接处均采用铟钢密封，确保整个装置内部处于高真空状态。

所述的检测方法如下：

在碱金属原子收集腔06收集碱金属原子，通过二维磁光阱07的预冷却、最终在金字塔型磁光阱09中冷却并捕获原子团。经过短暂的自由落体，可以解决多普勒敏感和不敏感的过渡，拉曼脉冲对激光束L6沿+z轴和-z轴两个方向上施加。碱金属原子团则会出现拓展，至完全拓展后，原子团上将会出现相位梯度。干涉相位梯度包含在原子群中，采用点源干涉测量的方法分离加速度和旋转引起的相移，并由探测激光束L1读出，经由检测系统10处理相应的相位关系，然后利用相应的相移计算旋转量和加速度。

二：本发明实施例

以下按照碱金属原子团的制备、碱金属原子团的冷却和捕获、碱金属原子的相干操作及数据采集四个过程阐述本发明的工作原理及其测量方法。

音圈电机控制系统13控制音圈电机使移动平台B16移动，控制激光光束发射器EE5移动到装置中心发射再泵浦激光束L5，在碱金属原子收集腔06获得碱金属原子团。

撤去再泵浦激光束L5，碱金属原子团自由下落，在二维磁光阱07由激光光束发射器B E2发射的二维磁光阱预冷却激光束L2的作用下进行预冷却，使其温度降低。

预冷却的碱金属原子团继续自由下落，进入金字塔型磁光阱09，此时音圈电机控制系统13控制音圈电机14使移动平台A15移动，控制激光光束发射器D E4移动到装置中心发射金字塔型磁光阱囚禁激光束L4，激光光束发射器C E3发射补偿激光束L3。发射金字塔型磁光阱囚禁激光束L4是上行的圆偏振光，经过金字塔型磁光阱09内部反射镜的反射形成6束激光，此时发射补偿激光束L3为与金字塔型磁光阱囚禁激光束L4偏振方向相反的圆偏振光，在金字塔型磁光阱09内部形成三维磁光阱来捕获下落的预冷却的碱金属原子团。

撤去金字塔型磁光阱囚禁激光束L4和补偿激光束L3，使捕获的碱金属原子团继续下落，下落一小段时间后，音圈电机控制系统13控制音圈电机使移动平台D17移动，激光光束发射器G E7移动到装置中心发射吹走激光束L7，完成碱金属原子团的选态，选择磁不敏感的碱金属原子。

磁不敏感的碱金属原子继续做自由落体，音圈电机控制系统13控制音圈电机C12使移动平台C11移动，激光光束发射器F E6移动到装置中心发射拉曼脉冲对激光束L6，激光光束发射器C E3发射补偿激光束L3。拉曼脉冲对激光束L6为上行的线偏振光，经过金字塔型磁光阱09内部反射镜的反射形成与上行的拉曼脉冲对激光束L6偏振方向相反的的线偏振光，此时补偿激光束L3是与上行的拉曼脉冲对激光束L6偏振方向相反的的线偏振光。在干涉腔18中，磁不敏感的碱金属原子在这些偏振光的作用下完成原子团的拓展。

至完全拓展后，撤去拉曼脉冲对激光束L6和补偿激光束L3，激光光束发射器A E1发射探测激光束L1。原子团上将会出现相位梯度，干涉相位梯度包含在原子群中，采用点源干涉测量的方法分离加速度和旋转引起的相移，并由探测激光束L1读出，经由检测系统10处理相应的相位关系，然后利用相应的相移计算旋转量和加速度。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内作出的任何修改与变动，都应包含在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，包含：

震动隔离平台(01)、激光系统(02)、真空腔(03)、壳体(04)、反亥姆霍兹线圈对(05)、碱金属原子收集腔(06)、二维磁光阱(07)、二维磁光阱反向磁场线圈对(08)、金字塔型磁光阱(09)、检测系统(10)、移动平台C(11)、音圈电机C(12)、音圈电机控制系统(13)、音圈电机A(14)、移动平台A(15)、移动平台B(16)、移动平台D(17)、干涉腔(18)、激光光束发射器A(E1)、激光光束发射器B(E2)、激光光束发射器C(E3)、激光光束发射器D(E4)、激光光束发射器E(E5)、激光光束发射器F(E6)、激光光束发射器G(E7)、探测激光束(L1)、二维磁光阱预冷却激光束(L2)、补偿激光束(L3)、金字塔型磁光阱囚禁激光束(L4)、再泵浦激光束(L5)、拉曼脉冲对激光束(L6)、吹走激光束(L7)；所述的移动平台A(15)上安装的是激光光束发射器D(E4)，移动平台B(16)上安装的是激光光束发射器E(E6)、移动平台C(11)上安装的是激光光束发射器F(E5)、移动平台D(17)安装的是激光光束发射器G(E7)；音圈电机控制系统(13)通过控制音圈电机来控制移动平台A(15)、移动平台B(16)、移动平台D(17)、移动平台C(11)移动到中心发射对应光束；所述的激光系统(02)控制激光光束发射器A(E1)、激光光束发射器B(E2)、激光光束发射器C(E3)、激光光束发射器D(E4)、激光光束发射器E(E5)、激光光束发射器F(E6)、激光光束发射器G(E7)发射对应的激光束。

2.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，其特征在于，所述的震动隔离平台(01)包括微震仪，隔振面板，音圈电机和被动隔振平台，防止整个装置震动，壳体(04)包含磁场补偿线圈和磁场屏蔽的装置，使测量结果更加准确。

3.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，其特征在于，所述探测激光束(L1)提供检测系统(10)所需要的探测光；二维磁光阱预冷却激光束(L2)用来预冷却碱金属原子；补偿激光束(L3)在金字塔型磁光阱(09)捕获碱金属原子时提供所需要的囚禁光束，在碱金属原子拓展阶段提供所需要的拉曼脉冲对激光束；金字塔型磁光阱囚禁激光束(L4)用来捕获碱金属原子；再泵浦激光束(L5)使检测完成的碱金属原子重新回到碱金属原子收集腔(06)完成下一轮的冷却、捕获、检测的循环；拉曼脉冲对激光束(L6)用于碱金属原子的拓展；吹走激光束(L7)用来完成碱金属原子的选态，选择磁不敏感的碱金属原子。

4.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，其特征在于，所述的反亥姆霍兹线圈对(05)提供了冷原子囚禁中所需的梯度磁场，梯度磁场产生的赛曼效应对于原子运动引起的多普勒频移起到的补偿作用，提高冷却光的利用率。

5.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置及测量方法，其特征在于，所述的二维磁光阱(07)对下落的碱金属原子提供预冷却，使最后捕获的原子具有更低的温度。

6.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，其特征在于，所述的金字塔型磁光阱(09)，金字塔外型为直径12mm、高为25mm的圆柱，内部由四个正交反射面组成，反射面镀有增反膜，对激光束的反射率大于99％；用金字塔型磁光阱囚禁激光束(L4)照射整个金字塔，由金字塔反射产生六束正交的捕获光、补偿激光束(L3)产生的补偿激光和反亥姆霍兹线圈对(05)提供的梯度磁场共同作用下在金字塔内部形成三维磁光阱。

7.根据权利要求1所述的一种小型化的原子干涉陀螺仪装置，其特征在于，所述的检测系统(10)与壳体(04)，激光系统(02)与壳体(04)的连接处均采用铟钢密封，确保整个装置内部处于高真空状态。

8.一种基于权利要求1-7任一项的小型化的原子干涉陀螺仪装置的检测方法，其特征在于，所述的检测方法如下：

在碱金属原子收集腔(06)收集碱金属原子，通过二维磁光阱(07)的预冷却、最终在金字塔型磁光阱(09)中冷却并捕获原子团；经过短暂的自由落体，解决多普勒敏感和不敏感的过渡，拉曼脉冲对激光束(L6)沿+z轴和-z轴两个方向上施加；碱金属原子团则会出现拓展，至完全拓展后，原子团上将会出现相位梯度；干涉相位梯度包含在原子群中，采用点源干涉测量的方法分离加速度和旋转引起的相移，并由探测激光束(L1)读出，经由检测系统(10)处理相应的相位关系，然后利用相应的相移计算旋转量和加速度。

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