CN111045070B - 一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法，本发明涉及的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，包括步骤：S1.将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；S2.获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；S3.通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；S4.根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度。本发明由两束不同频率的光束组成,利用振动免疫机制，通过对两个光电探测器上的信号差分可以获得对探测光相位监测的长期稳定性。该结构在保持探测光相移信号长期监测的同时，抑制了压电扫描和环境扰动引起的噪声。

Description

一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法
技术领域
本发明涉及原子技术领域，尤其涉及一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法。
背景技术
干涉仪作为一种相位测量方法，在精密测量、传感、导航、信息处理等方面具有很广泛的应用。对于物理量的测量，干涉仪的分辨率通常比直接测量的分辨率高几个数量级。此外，在光学和物质波干涉仪相结合的混合结构中，已经有超过量子标准噪声限制的精度测量的报道。另一个相关的热门话题是量子非破坏性测量，其中光学干涉仪用于检测原子施加在探测光的相移，用于制备冷原子的自旋压缩态。为了提高相移测量的精度，需要抑制各种不受量子不确定性原理影响的经典噪声，如激光振幅噪声、激光相位噪声和声学噪声。在半条纹处锁定干涉仪可以消除激光的振幅噪声。将马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnderinterferometer，MZI)对准接近零光程差的位置，即白光位置，可以抑制激光的相位噪声。声学噪声由两个干涉仪两臂的光程差外部干扰引起的，包括机械振动镜子，光学支架，空气流动等。这些噪声对光相位测量的精度有很大的影响。
近年来，各种干涉仪噪声抑制技术和仪器得到了发展。一种常用的技术是尽可能地隔离环境和干涉仪平台。例如，为了将自由空间干涉仪与噪声隔离，可以将干涉仪置于由粘在铝板上的吸声材料制作的盒子中以屏蔽噪声。另一种方法是使用锁定技术，利用一个失谐连续激光，其与探测光光路重合，通过锁定失谐的连续激光锁定干涉仪。但是，这些方法并不能完全消除噪声，还会产生其他影响。
因此，本申请提供了一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法，由两束不同频率的光束组成，利用振动免疫机制，通过对两个光电探测器上的信号差分可以获得对探测光相位监测的长期稳定性。该结构在保持探测光相移信号长期监测的同时，抑制了压电扫描和环境扰动引起的噪声。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，包括步骤：
S1.将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
S2.获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
S3.通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
S4.根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度。
进一步的，所述步骤S2之前还包括：
分别通过探测光和参考光测量置于差分干涉仪光程中的冷原子团。
进一步的，所述差分干涉仪包括分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；所述HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上。
进一步的，所述步骤S2还包括所述探测光和所述参考光通过重叠反向的干涉路径发生干涉，产生干涉条纹。
进一步的，所述步骤S2具体为所述探测光经过分束器BS1照射到冷原子团上，并通过设置于PZT压电陶瓷上的HR高反射镜反射，得到探测光通过冷原子团后的相移变化，最后经过空间滤波器SF2滤波射入光电探测器PD2中；
所述参考光经过分束器BS2直接透过冷原子，经过空间滤波器SF1滤波射入光电探测器PD1中。
进一步的，所述空间滤波器SF1、空间滤波器SF2分别包括可旋转的狭缝和镜头。
进一步的，所述步骤S2还包括利用差分放大电路对光电探测器PD1和光电探测器PD2的电流分别进行差分放大得到探测光的差分干涉信号和参考光的差分干涉信号。
相应的，还提供一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统，包括：
设置模块，用于将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
获取模块，用于获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
测量模块，用于通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
计算模块，用于根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度。
进一步的，所述差分干涉仪包括分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；所述HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上。
进一步的，所述空间滤波器SF1、空间滤波器SF2分别包括可旋转的狭缝和镜头。
与现有技术相比，本发明采用差分干涉仪，它对外部的声学噪声抑制可达20dB。利用此结构，在存在机械振动、空气湍流等外部扰动的情况下，差分信号的振动噪声比没有差分结构的测量结果降低了约20倍。屏蔽的效果与PD1和PD2两种正弦信号的匹配程度有关。这种结构可使得干涉仪输出的相位保持稳定在10秒以上，以便长期测量原子。
附图说明
图1是实施例一、二提供的差分干涉仪的示意图；
图2是实施例一提供的采用的差分干涉仪产生的结果示意图；
图3是实施例一提供的差分信号以及探测光的功率谱密度示意图；
图4是实施例一提供的差分干涉仪测量MOT中冷原子的加载过程和释放过程示意图；
图5是实施例一提供的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统结构图；
图6是实施例二提供的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统及方法。
实施例一
本实施例一提供一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统，如图1所示，差分干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，包括：分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；其中，HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上；空间滤波器SF1包括可旋转的狭缝S1、镜头L1、L2、L3；空间滤波器SF2包括可旋转的狭缝S2、镜头L4、L5、L6。镜头L1、L4中，f＝30mm；镜头L2、L5中，f＝100mm；镜头L3、L6中，f＝40mm；空间滤波器使通过光电探测器接收到的信号对光程差的测量更加敏感。
如图1所示，探测光和参考光的传播路径在马赫-曾德尔干涉仪上分别用线条a和线条b表示。在本实施例中，探测光与参考光的光源为同一台外腔半导体激光器，可以稳定可靠的对抗温度和声学噪声。
在本实施例中，探测光经过分束器BS1分束，并通过设置于PZT压电陶瓷上的HR高反射镜，最后经过分束器BS2，形成第一个马赫-曾德尔干涉仪。
同样，参考光经过分束器BS2分束，并通过设置于PZT压电陶瓷上的HR高反射镜，最后经过分束器BS1，形成第二个马赫-曾德尔干涉仪。
在本实施例中，选用磁光阱(MOT)来捕获冷原子，需要说明的是，对于冷原子的捕获不仅限于本实施例中涉及的磁光阱。
本实施例提供一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统如图5所示，包括：
设置模块11，用于将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
获取模块12，用于获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
测量模块13，用于通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
计算模块14，用于根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度。
在磁光阱中捕获原子，并将捕获到的冷原子置于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的光程中。探测光是用来测量磁光阱中的冷原子特性。首先利用非破坏性测量方法分析冷原子的数量及密度的分布，并得到了探测光通过冷原子团后的相移变化。光的相移是由冷原子团导致的折射率变化引起的。对于一定频率的探测光，通过原子团后的相移与原子密度有关，此时原子对光的吸收效应可以忽略。利用这种方法，可以实时无损地监测原子的状态。在实验中，MZI的稳定性是关键因素。
在本实施例中，探测光和参考光通过重叠反向的干涉路径发生干涉，产生，干涉条纹，其干涉条纹分别由光电探测器PD2和PD1测得。再利用空间滤波器SF1和SF2对相应的干涉条纹进行空间滤波，使得光电探测器PD2和PD1上接收的光电流保持平衡。然后利用差分放大电路来对光电探测器PD2和PD1的电流进行差分放大得到差分干涉信号。
在光电探测器上光电流产生的相应关系是：
Figure BDA0002289690140000051
其中，r1、t1、r2、t2表示分束器BS1、BS2反射和透射的系数，ε表示量子探测器的效率，e表示基本电荷，τ表示相互的持续时间，k是激光波数，Δl是光束传播距离，kΔl表示干涉仪的光程差，<nphoton>表示量子的数量。
在实验中，探测光和参考光有相同的振幅。它们通过分束器产生的分束比为T/R＝50/50，令r1、t1、r2、t2的值为：
Figure BDA0002289690140000061
光电探测器PD1接收到参考光的差分干涉信号为：
Figure BDA0002289690140000062
其中，k1表示参考光的波数，k1Δlac表示通过噪声引起的干涉仪的光程差，<n’photon>表示参考光中量子的数量。
同样的，光电探测器PD2接收到探测光的差分干涉信号为：
Figure BDA0002289690140000063
其中，k2表示探测光的波数，k2Δlac表示通过噪声引起的干涉仪的光程差，<n”photon>表示探测光中量子的数量。
当ΔkΔlac<<1时，将光电探测器PD2接收到探测光的干涉信号减去光电探测器PD1接收到参考光的干涉信号，得到：
Figure BDA0002289690140000064
由于Δk＝k2-k1并且探测光和参考光在光电探测器中具有相同的振幅，则公式(4)中<nphoton>＝<n’photon>-<n”photon>，通过实验，得到差分结果抑制了噪声，并且当震动足够小时，该差分结果与ΔkΔlac成正比。
根据公式(4)，其如图2(a)所示，当Δl≤30μm且形成的干涉条纹在光电探测器上刚好重叠，通过本实验得到的差分结果比没有差分结构的测量结果好1000倍。因此，实时无损地监测原子的状态可以通过这样一个抗震动机制来实现。
本实施例将波动变量线性化并表示为时域，Δt(t)＝<Δt>+δΔt(t)，当<Δt>＝Δl/c，则光电探测器上的光电流为：
Figure BDA0002289690140000065
方差为：
Figure BDA0002289690140000066
其中，m＝1、2；1表示参考光，2表示探测光。
在本实施例中，将δipd(t)根据傅里叶分解和帕塞瓦尔定理，得到：
Figure BDA0002289690140000071
本实施例将光电探测器上的光电流i(t)中波动的功率谱密度W(ω')定义为：
Figure BDA0002289690140000072
在一般情况下，噪声的功率谱密度是已知的，公式(7)提供了方差的期望值。同样的，公式(4)在Δt(t)＝<Δt>+δΔt(t)的情况下，<Δt>＝Δl/c，则差分信号的波动为：
Figure BDA0002289690140000073
当
Figure BDA0002289690140000074
时，与公式(7)进行比较，得到差分信号的波动减小了约ΔωΔt。
如图2所示为本实施例所采用的差分干涉仪产生的结果，图2(a)显示了两个正弦信号的匹配结果，与原始信号1比较，差分信号2被压缩了10000次。图2(b)的振幅为1％，与原始信号3相位相比的误差匹配保持不变，差分信号4有一百倍衰减。图2(c)的相位误差为1％，与原始信号5和幅度比较匹配保持不变，差分信号6有一百倍衰减。图2(d)在扫描PZT时，PD1产生的信号7和PD2产生的信号8幅值基本相等，相位也基本匹配，差分信号9在这个过程中几乎没有改变。
实验过程：MZI干涉仪测量磁光阱中被捕获的冷原子，并利用光电探测器来测量冷原子的特性。该结构对声学噪声的抑制效果可以在扫描PZT时观测差分信号的压缩效果得到。利用空间滤波器调节光路，使得探测光和参考光的干涉条纹尽可能的重合以便更好的压缩噪声。由公式(4)可知图2(d)中两个正弦信号的匹配度是信号差分过程的关键因素。匹配度，即两个干涉正弦条纹的重合度。根据计算，得到不同振幅匹配和相位匹配时的差分信号压缩。如图2(b)和2(c)所示，与原始信号相比，当振幅误差为1％，匹配保持不变，差分信号的噪声减小约一百倍。当相位误差为1％，幅度匹配保持不变，噪声抑制约一百倍。如图2(d)所示，扫描PZT使光程差变化约14μm，PD1产生的信号7和PD2产生的信号8幅值基本相等，相位也基本匹配，差分信号9在这个过程中几乎没有改变。在此过程中对噪声有约20倍的抑制。这种差分结构能够长期充分地稳定MZI。
如图3所示为差分信号以及探测光的功率谱密度。与探测光10相比，差分信号11在2Hz和谐波下的幅值减小了约20dB。
本实施例还得到了差分信号以及探测光的功率谱密度(PSD)。根据公式(7)、(8)，发现如果想要得到方差的期望值，必须得到噪声的谱密度，而噪声的谱密度不可能确定，因为噪声在空间各处都不相同。如图3所示。在实验平台上利用安捷伦35670A测量了噪声的功率谱密度。驱动PZT的频率为2Hz，利用动态信号分析仪分析噪声功率谱密度。最后得到，在调制频率2Hz及谐波下，噪声的幅值被抑制了20dB左右。通过提高两个正弦信号的匹配度，增大对差分信号的抑制。
图4所示为差分干涉仪测量MOT中冷原子的加载过程和释放过程。原子数分别为2.0×106(曲线13)、4.6×106(曲线14)、9.8×106(曲线15)，曲线12表示在没有差分结构时的原子数变化。探测光在不同频率下的相移(曲线14)和吸收(曲线15)。左部是F＝2→F’＝3，右部是F＝1→F’＝2，探测光和参考光分别失谐120MHz和3.18GHz。
如图4所示为模拟了原子与不同频率的光的吸收和相移变化趋势，图4中表明原子对失谐120MHz的探测光的吸收可忽略。在实验中，选择探测光的频率为384228.235GHz左右，相对52S1/2(F＝2)→52P3/2(F’＝3)的失谐量为120MHz。对于MOT中捕获的约1.0e6个原子来说，相移约为0.023rad。参考光的频率选择为384231GHz，相对循环跃迁频率有3GHz的失谐量。因此，参考光与原子的吸收为0.0000132，可忽略。
为了表示该方法的高灵敏度和长期稳定性，用干涉仪测量不同原子数的MOT的加载和释放过程。如图4所示，得到了MOT的整个加载释放过程。通过开关泵浦光来观察冷原子的变化过程。初始时，关掉泵浦光使冷原子云扩散，原子的数目慢慢地减少到零。150毫秒后，打开泵浦光重新俘获原子，曲线12表示在马赫-曾德尔干涉仪中没有使用差分结构的原子数的变化。从图4观察到，在没有差分结构的情况下，由于环境扰动引起的噪声，原子数不能有效连续测量超过0.6秒。然而，在使用差分干涉仪结构后，图中的实验数据(曲线13、14、15)表明原子数测量的稳定性。
本实施例展示了一种马赫-曾德尔型差分光学干涉仪，它对外部的声学噪声抑制可达20dB。利用此结构，在存在机械振动、空气湍流等外部扰动的情况下，差分信号的振动噪声比没有差分结构的测量结果降低了约20倍。屏蔽的效果与PD1和PD2两种正弦信号的匹配程度有关。这种结构可使得干涉仪输出的相位保持稳定在10秒以上，以便长期测量原子。
实施例二
本实施例提供一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，如图6所示，包括步骤：
S11.将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
S12.获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
S13.通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
S14.根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度。
在本实施例中，步骤S12之前还包括：
通过探测光测量置于差分干涉仪光程中的冷原子团。
在本实施例中，如图1所示，差分干涉仪包括分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；所述HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上；空间滤波器SF1、空间滤波器SF2分别包括可旋转的狭缝和镜头。
在本实施例中，步骤S12还包括参考光，所述探测光和参考光通过重叠反向的干涉路径发生干涉，产生干涉条纹。
在本实施例中，步骤S2具体为所述探测光经过分束器BS1分束照射到冷原子团上，并通过设置于PZT压电陶瓷上的HR高反射镜反射，得到探测光通过冷原子团后的相移变化，最后经过空间滤波器SF2滤波射入光电探测器PD2中；
参考光经过分束器BS2分束直接透过冷原子，经过空间滤波器SF1滤波射入光电探测器PD1中。
在本实施例中，步骤S2还包括利用差分放大电路对光电探测器PD1和光电探测器PD2的电流分别进行差分放大得到探测光的差分干涉信号和参考光的差分信号。
本实施例的具体实现方式与实施例一类似，在此不多做赘述。
本实施例展示了一种马赫-曾德尔型差分光学干涉仪，它对外部的声学噪声抑制可达20dB。利用此结构，在存在机械振动、空气湍流等外部扰动的情况下，差分信号的振动噪声比没有差分结构的测量结果降低了约20倍。屏蔽的效果与PD1和PD2两种正弦信号的匹配程度有关。这种结构可使得干涉仪输出的相位保持稳定在10秒以上，以便长期测量原子。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，其特征在于，包括步骤：
S1.将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
S2.获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
S3.通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
S4.根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度；
所述步骤S2之前还包括：
通过探测光测量置于差分干涉仪光程中的冷原子团；
所述步骤S2还包括参考光，所述探测光和参考光通过重叠反向的干涉路径发生干涉，产生干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，其特征在于，所述差分干涉仪包括分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；所述HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上。
3.根据权利要求2所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为所述探测光经过分束器BS1分束照射到冷原子团上，并通过设置于PZT压电陶瓷上的HR高反射镜反射，得到探测光通过冷原子团后的相移变化，最后经过空间滤波器SF2滤波射入光电探测器PD2中；
所述参考光经过分束器BS2分束直接透过冷原子，经过空间滤波器SF1滤波射入光电探测器PD1中。
4.根据权利要求3所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，其特征在于，所述空间滤波器SF1、空间滤波器SF2分别包括可旋转的狭缝和镜头。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括利用差分放大电路对光电探测器PD1和光电探测器PD2的电流分别进行差分放大得到探测光的差分干涉信号和参考光的差分干涉信号。
6.一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统，其特征在于，包括：
设置模块，用于将被捕获的冷原子置于差分干涉仪的光程中，其中，所述冷原子为冷原子团；
获取模块，用于获取差分干涉仪所形成的干涉条纹的相移变化；
测量模块，用于通过获取到的干涉条纹相移变化测量冷原子团引起的相移变化；
计算模块，用于根据所述测量得到的冷原子团引起的相移变化计算冷原子团的数量及密度；
通过探测光测量置于差分干涉仪光程中的冷原子团；
获取模块中还包括参考光，所述探测光和参考光通过重叠反向的干涉路径发生干涉，产生干涉条纹。
7.根据权利要求6所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统，其特征在于，所述差分干涉仪包括分束器BS1和分束器BS2、PZT压电陶瓷、HR高反射镜、光电探测器PD1和光电探测器PD2、空间滤波器SF1和空间滤波器SF2；所述HR高反射镜设置于PZT压电陶瓷上。
8.根据权利要求7所述的一种基于差分干涉仪测量被捕获冷原子的系统，其特征在于，所述空间滤波器SF1、空间滤波器SF2分别包括可旋转的狭缝和镜头。
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