CN110596773A - 一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，包括第一方形体腔模块、柱状体腔模块、第二方形体腔模块及真空单元，所述第一方形体腔模块呈竖直方向布置并连接于柱状体腔模块的一端，所述第二方形体腔模块呈水平方向布置并连接于柱状体腔模块的另一端；所述第一方形体腔模块用于冷却及囚禁原子，所述柱状体腔模块用于原子自由下落产生干涉环路，所述第二方形体腔模块用于探测原子布居概率获得原子干涉信号，所述真空单元用于提供原子干涉实验所需的超高真空环境。本发明具有结构更加简单、加工制造更加方便、可提高系统长期稳定性等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到冷原子干涉仪技术领域，特指一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置。
背景技术
冷原子干涉仪是以原子物质波代替光波作为测量介质的新一代高精度测量仪器。由于冷原子具有德布罗意波长短、自由演化时间长、静态质量大、原子团速度分布小以及内部能级结构复杂等特性，使冷原子干涉技术比激光干涉技术在精密测量上具有许多内禀的优越性和良好的技术潜力。以冷原子干涉为核心的量子绝对重力仪，其测量性能已经接近甚至超越最先进的FG5X型商品化激光干涉绝对重力仪，在基础科学研究、国防建设、地球信息监测、资源开采和考古学等众多领域都具有广泛的应用前景。为了促进冷原子干涉重力仪从实验室研究走向野外应用，在进一步提高其测量灵敏度和精度的同时，如何进一步缩小其体积、重量和功耗，是当前必须解决的一大难题。
目前，最高测量灵敏度（Hu ZK, Sun BL, Duan XC, Zhou MK, Chen LL, Zhan S,Zhang QZ, Luo J Physical Review A 2013, 88, 043610.）和最高测量稳定度（FreierC, Hauth M, Schkolnik V, Leykauf B, Schilling M, Wziontek H, Scherneck HG, Müller J, Peters A Journal of Physics: Conference Series 2016, 723, 012050.）的原子干涉重力仪都采用14面体MOT腔组成的原子喷泉结构（中国专利CN106597561A），整个干涉重力仪真空系统高达2米以上，长和宽都接近1米，需要1个55L （或40L）的离子泵以及1个钛升华泵来维持原子干涉所需的超高真空度，体积、重量、功耗都过大，不适合野外应用。
此外，虽然中国专利CN106932997A 提供了一种原子干涉仪的玻璃真空腔体装置，但玻璃腔体加工难度大、机械应力差、在野外环境下应用易出故障；中国专利CN108279441A提供了一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构，但其结构复杂、体积仍然较大，并且没有采用折叠光路进一步减小冷原子干涉重力仪的体积、重量、功耗。
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，本发明提供一种结构更加简单、加工制造更加方便、可提高系统长期稳定性的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，包括第一方形体腔模块、柱状体腔模块、第二方形体腔模块及真空单元，所述第一方形体腔模块呈竖直方向布置并连接于柱状体腔模块的一端，所述第二方形体腔模块呈水平方向布置并连接于柱状体腔模块的另一端；所述第一方形体腔模块用于冷却及囚禁原子，所述柱状体腔模块用于原子自由下落产生干涉环路，所述第二方形体腔模块用于探测原子布居概率获得原子干涉信号，所述真空单元用于提供原子干涉实验所需的超高真空环境。
作为本发明的进一步改进：所述第一方形体腔模块为长方体腔模块，具有长方体腔，所述长方体腔的周侧设置有上玻璃窗口、三个侧面矩形玻璃窗口、侧面正方形玻璃窗口、碱金属释放剂电极接口、扩束筒反射镜固定架以及碱金属释放剂导管。
作为本发明的进一步改进：所述扩束筒反射镜固定架使经冷却光扩束筒出射的冷却光在经过四个反射镜和1/4波片后在回形结构中心形成传输方向相反、偏振方向相反的两对正交激光束，与竖直方向的拉曼光扩束筒和反射镜形成的一对传输方向相反、偏振方向相反的激光束相配合，一起构成三维磁光阱，将碱金属原子冷却并囚禁在第一方形体腔模块中的扩束筒反射镜固定架中心。
作为本发明的进一步改进：以所述经扩束筒入射的光为X方向坐标轴，以逆时针旋转为正方向，沿着光从扩束筒出射后的传输方向，这四个反射镜的角度分别为225°、45°、135°和180°，1/4波片安装在最后一个180°的反射镜前并与其平行，使激光扩束筒出射的冷却光在回形结构中心形成两对正交激光束。
作为本发明的进一步改进：所述柱状体腔模块为圆柱形腔体，该圆柱形腔体包括顶部的法兰口、空心圆柱体和底部法兰口，所述顶部法兰口与第一方形体腔模块的下法兰口相连接，所述底部法兰口与第二方形体腔模块相连接；当碱金属原子自由下落，用微波和拉曼光脉冲选择原子速度和原子态，当原子下落至所述柱状体腔模块（20内时，用π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉环路。
作为本发明的进一步改进：所述第二方形体腔模块为立方体腔模块，具有立方体腔，所述立方体腔的周侧设置有上法兰口、三个侧面圆形玻璃窗口、底部玻璃窗口和侧面法兰口，所述上法兰口与柱状体腔模块的底部相连接，所述侧面法兰口与真空单元相连接；通过所述上玻璃窗口打探测光，用光电探测器和透镜通过三个侧面圆形玻璃窗口中的一个进行原子布居概率荧光探测，获得原子干涉信号，最后通过反演获得重力信息。
作为本发明的进一步改进：所述真空单元包括T型转接管、真空阀和真空泵，所述T型转接管与所述第二方形体腔模块相连。
作为本发明的进一步改进：所述扩束筒反射镜固定架与第一方形体腔模块外接处设置有回形结构，底部横截面呈U型槽；在U型槽的一个侧壁上开有1个矩形口和一个圆形孔用于固定激光扩束筒转接件和冷却光扩束筒，并三个侧壁上开有3个贯穿孔用于冷却激光通过，在这三个贯穿孔对应的U型槽位置处及U型槽一个顶点处固定四个激光反射镜和1个1/4波片。
作为本发明的进一步改进：所述第一方形体腔模块、柱状体腔模块和第二方形体腔模块均为钛合金真空腔体。
作为本发明的进一步改进：所述第一方形体腔模块、柱状体腔模块和第二方形体腔模块上的玻璃均为石英玻璃窗片，所述石英玻璃窗片的上下表面均镀有碱金属原子所需波段的增透膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，采用模块化设计，仅包括第一方形体腔模块、柱状体腔模块、第二方形体腔模块及真空单元四个模块，大幅降低了系统的加工难度、成本、体积、重量和功耗，在提高系统稳定性的同时降低了对真空泵功率的需求，只需一个低功耗的离子吸气剂复合泵即可维持原子干涉实验所需的超高真空环境。
2、本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，三维磁光阱采用折叠光路设计，用矩形腔代替14面体腔，竖直方向冷却光与拉曼光共用扩束筒，水平方向冷却光仅用一个扩束筒，在将三维磁光阱的六个扩束筒减少为一个的同时将冷却光功率需求降低了2/3，大幅减小了冷原子干涉重力仪的体积、重量和功耗。
3、本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，设计了独特的扩束筒反射镜固定架，将水平面内折叠光路所需的光学元件固化在U型槽内，用一束光产生两对正交方向、反向传输、偏振相反的冷却激光，在减小系统体积的同时提高了系统的长期稳定性。
4、本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，将碱金属释放剂电极设计在三维磁光阱腔附近并采用导管将气体指向三维磁光阱中心，有利于提高碱金属原子的利用率。
5、本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，采用T型转接件将真空泵和真空阀设计在靠近探测腔和干涉腔的位置，有利于磁屏蔽系统的结构简化和安装方便，还有利于形成干涉区与三维磁光阱区的真空度差，提高原子相干时间和测量灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明在具体实施例中一个视角的结构原理示意图。
图3是本发明在具体实施例中另一个视角的结构原理示意图。
图4是本发明在具体实施例中的分解结构原理示意图。
图5是本发明在具体实施例中扩束筒反射镜固定架的正视结构原理示意图。
图6是本发明在具体实施例中扩束筒反射镜固定架的等轴侧视结构原理示意图。
图例说明：
10、第一方形体腔模块；11、上玻璃窗口；12、第一侧面矩形玻璃窗口；13、第二侧面矩形玻璃窗口；14、第三侧面矩形玻璃窗口；15、侧面正方形玻璃窗口；16、碱金属释放剂电极接口；17、扩束筒反射镜固定架；18、长方体腔；19、碱金属释放剂导管；20、柱状体腔模块；21、顶部法兰口；22、空心圆柱体；23、底部法兰口；30、第二方形体腔模块；31、上法兰口；32、第一侧面圆形玻璃窗口；33、第二侧面圆形玻璃窗口；34、第三侧面圆形玻璃窗口；35、底部玻璃窗口、36、侧面法兰口；37、立方体腔；40、真空单元；41、T型转接管；42、真空阀；43、真空泵。
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、图2、图3和图4所示，本发明的一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，包括第一方形体腔模块10、柱状体腔模块20、第二方形体腔模块30及真空单元40，其中第一方形体腔模块10用于冷却及囚禁原子，柱状体腔模块20用于原子自由下落产生干涉环路，第二方形体腔模块30用于探测原子布居概率获得原子干涉信号，真空单元40用于提供原子干涉实验所需的超高真空环境。
在具体应用实例中，第一方形体腔模块10为长方体腔模块，具有长方体腔18，长方体腔18的尺寸为70×70×105mm3。长方体腔18的周侧设置有CF35的上玻璃窗口11、三个30×64mm2的侧面矩形玻璃窗口、30×30mm2侧面正方形玻璃窗口15、CF16的碱金属释放剂电极接口16、158×158×40mm3的扩束筒反射镜固定架17以及碱金属释放剂导管19。三个侧面矩形玻璃窗口包括第一矩形玻璃窗口12、第二矩形玻璃窗口13和第三矩形玻璃窗口14。
在具体应用实例中，柱状体腔模块20为圆柱形腔体，其大小为φ35×200mm3，该圆柱形腔体包括顶部CF35的法兰口21、CF35的空心圆柱体22和CF35的底部法兰口23，其中顶部法兰口21与长方体腔模块10的下法兰口相连接，底部法兰口23与第二方形体腔模块30的上法兰口31相连接。。
在具体应用实例中，第二方形体腔模块30为立方体腔模块，具有立方体腔37，该立方体腔37大小为70×70×70mm3，该立方体腔37的周侧设置有CF35的上法兰口31、CF35的三个侧面圆形玻璃窗口、CF35的底部玻璃窗口35和CF35的侧面法兰口36，其中上法兰口31与柱状体腔模块20的底部法兰口23相连接，侧面法兰口36与真空单元40的T型转接管41相连接。三个侧面圆形玻璃窗口包括第一侧面圆形玻璃窗口32、第二侧面圆形玻璃窗口33、第三侧面圆形玻璃窗口34。
在具体应用实例中，真空单元40包括φ38×113mm3的T型转接管41、CF16的真空阀42和CF38的离子吸气剂复合的真空泵43。
在具体应用实例中，长方体腔模块10、柱状体腔模块20、第二方形体腔模块30为真空腔体，该真空腔体采用钛合金车削加工而成，以减小磁场磁化和电场涡流的影响。
在具体应用实例中，上玻璃窗口11和底部玻璃窗口35的玻璃厚度为20mm，表面PV不平整度小于λ/20；侧面矩形玻璃窗口和侧面正方形玻璃窗口的玻璃厚度为10mm，表面PV不平整度小于λ/4；侧面圆形玻璃窗口的玻璃厚度为5mm，表面PV不平整度小于λ/4。所有窗口的玻璃均为石英玻璃窗片，石英玻璃窗片的上下表面均镀有碱金属原子所需波段的增透膜，且均采用钛金属螺钉压铟丝与钛合金腔体封接。
如图5和图6所示，本发明在具体应用实例中，扩束筒反射镜固定架17的外尺寸大小为158×158×40mm3，是与长方体腔模块10外接的回形结构，底部横截面呈U型槽状，U型槽宽26mm、深34mm、壁厚3mm；回字型顶盖与底部U型槽通过螺丝连接固定；在U型槽的一个侧壁上开有1个34mm×55mm的矩形口和一个φ30mm的圆形孔用于固定外径47mm、内径27mm的激光扩束筒转接件和φ30mm的冷却光扩束筒，另外三个侧壁上开有3个φ30mm的圆形贯穿孔用于冷却激光通过，在这三个圆形贯穿孔对应的U型槽位置处及U型槽一个顶点处固定四个激光反射镜和1个1/4波片。如图4所示，以经扩束筒入射的光为X方向坐标轴，以逆时针旋转为正方向，沿着光从扩束筒出射后的传输方向，这四个反射镜的角度分别为225°、45°、135°和180°，1/4波片安装在最后一个180°的反射镜前并与其平行。利用此结构和装置，可以使激光扩束筒出射的冷却光在回形结构中心形成两对正交激光束。
工作原理：本发明在具体应用实施例中，在进行重力测量时，所述真空单元40的离子吸气剂复合泵43使整个真空装置维持原子干涉所需的超高真空度。所述扩束筒反射镜固定架17使经冷却光扩束筒出射的冷却光在经过四个反射镜和1/4波片后在回形结构中心形成传输方向相反、偏振方向相反的两对正交激光束，与竖直方向的拉曼光扩束筒和反射镜形成的一对传输方向相反、偏振方向相反的激光束相配合，一起构成三维磁光阱，将碱金属原子冷却并囚禁在第一方形体腔模块10中的扩束筒反射镜固定架17中心；随后让碱金属原子自由下落，立即用微波和拉曼光脉冲选择原子速度和原子态，当原子下落至所述柱状体腔模块20内时，用π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉环路；当原子下落至所述第二方形体腔模块30时，通过上玻璃窗口11打探测光，用光电探测器和透镜通过三个侧面圆形玻璃窗口中的一个进行原子布居概率荧光探测，获得原子干涉信号，最后通过反演获得重力信息。
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)
1.一种采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，包括第一方形体腔模块（10）、柱状体腔模块（20）、第二方形体腔模块（30）及真空单元（40），所述第一方形体腔模块（10）呈竖直方向布置并连接于柱状体腔模块（20）的一端，所述第二方形体腔模块（30）呈水平方向布置并连接于柱状体腔模块（20）的另一端；所述第一方形体腔模块（10）用于冷却及囚禁原子，所述柱状体腔模块（20）用于原子自由下落产生干涉环路，所述第二方形体腔模块（30）用于探测原子布居概率获得原子干涉信号，所述真空单元（40）用于提供原子干涉实验所需的超高真空环境。
2.根据权利要求1所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述第一方形体腔模块（10）为长方体腔模块，具有长方体腔（18），所述长方体腔（18）的周侧设置有上玻璃窗口（11）、三个侧面矩形玻璃窗口、侧面正方形玻璃窗口（15）、碱金属释放剂电极接口（16）、扩束筒反射镜固定架（17）以及碱金属释放剂导管（19）。
3.根据权利要求2所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述扩束筒反射镜固定架（17）使经冷却光扩束筒出射的冷却光在经过四个反射镜和1/4波片后在回形结构中心形成传输方向相反、偏振方向相反的两对正交激光束，与竖直方向的拉曼光扩束筒和反射镜形成的一对传输方向相反、偏振方向相反的激光束相配合，一起构成三维磁光阱，将碱金属原子冷却并囚禁在第一方形体腔模块（10）中的扩束筒反射镜固定架（17）中心。
4.根据权利要求3所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，以所述经扩束筒入射的光为X方向坐标轴，以逆时针旋转为正方向，沿着光从扩束筒出射后的传输方向，这四个反射镜的角度分别为225°、45°、135°和180°，1/4波片安装在最后一个180°的反射镜前并与其平行，使激光扩束筒出射的冷却光在回形结构中心形成两对正交激光束。
5.根据权利要求1-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述柱状体腔模块（20）为圆柱形腔体，该圆柱形腔体包括顶部的法兰口（21）、空心圆柱体（22）和底部法兰口（23），所述顶部法兰口（21）与第一方形体腔模块（10）的下法兰口相连接，所述底部法兰口（23）与第二方形体腔模块（30）相连接；当碱金属原子自由下落，用微波和拉曼光脉冲选择原子速度和原子态，当原子下落至所述柱状体腔模块（20内时，用π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉环路。
6.根据权利要求1-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述第二方形体腔模块（30）为立方体腔模块，具有立方体腔（37），所述立方体腔（37）的周侧设置有上法兰口（31）、三个侧面圆形玻璃窗口、底部玻璃窗口（35）和侧面法兰口（36），所述上法兰口（31）与柱状体腔模块（20）的底部相连接，所述侧面法兰口（36）与真空单元（40）相连接；通过所述上玻璃窗口（11）打探测光，用光电探测器和透镜通过三个侧面圆形玻璃窗口中的一个进行原子布居概率荧光探测，获得原子干涉信号，最后通过反演获得重力信息。
7.根据权利要求1-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述真空单元（40）包括T型转接管（41）、真空阀（42）和真空泵（43），所述T型转接管（41）与所述第二方形体腔模块（30）相连。
8.根据权利要求2-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述扩束筒反射镜固定架（17）与第一方形体腔模块（10）外接处设置有回形结构，底部横截面呈U型槽；在U型槽的一个侧壁上开有1个矩形口和一个圆形孔用于固定激光扩束筒转接件和冷却光扩束筒，并三个侧壁上开有3个贯穿孔用于冷却激光通过，在这三个贯穿孔对应的U型槽位置处及U型槽一个顶点处固定四个激光反射镜和1个1/4波片。
9.根据权利要求1-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述第一方形体腔模块（10）、柱状体腔模块（20）和第二方形体腔模块（30）均为钛合金真空腔体。
10.根据权利要求1-4中任意一种所述的采用折叠光路的小型化原子干涉重力仪真空装置，其特征在于，所述第一方形体腔模块（10）、柱状体腔模块（20）和第二方形体腔模块（30）上的玻璃均为石英玻璃窗片，所述石英玻璃窗片的上下表面均镀有碱金属原子所需波段的增透膜。
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