CN111045071B - 一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔构成二维磁光阱，用于实现冷原子束流的输出；三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔构成三维磁光阱，用于俘获冷原子束流形成冷原子团；二维磁光阱和三维磁光阱通过真空差分管连接；光电探测器为三对，三对光电探测器分别安装在三维真空腔的三对正交的金属面上；三对光电探测器的感光面正对三维磁光阱的几何中心；三对光电探测器的输出端连接各自对应的SMA同轴电缆的输入端，SMA同轴电缆的输出端连接到USB多通道数据采集卡的输入端，USB多通道数据采集卡的输出端通过USB连接线输入数据处理模块。本发明实现了冷原子多参数测量。

Description

一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置

技术领域

本发明属于冷原子干涉测量领域，具体涉及一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置。

背景技术

基于二维磁光阱和三维磁光阱的复合磁光阱技术在冷原子干涉领域具有广泛应用，如冷原子干涉重力仪、冷原子干涉重力梯度仪、冷原子干涉陀螺仪以及冷原子钟等精密测量装置。冷原子干涉测量技术非常依赖冷原子团的各项参数，如初始位置、温度和数目等信息。选择性地对上述参数进行在线诊断和实时测量，对于提高冷原子干涉传感器的测量精度具有重要意义。

对于抛射型(上抛、斜抛、平抛)冷原子干涉仪而言，准确识别冷原子团的初始位置对于降低冷原子团的温度、提高原子的冷却效率和数目具有重要指导作用。通常情况下，采用多路CCD对冷原子团的位置进行三维成像，从而协助冷原子团的位置调节，但这种方法更多意义上是定性分析，空间分辨率较低，无法对冷原子团的诸多参数进行同时测量，给实验操作带来不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，该装置可用于对三维磁光阱中俘获的冷原子团的位置进行精确诊断和辅助调节，同时可对冷原子团的数目、温度、装载时间以及冷原子束流的通量和纵向速度等参数进行测量。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，其特征在于：

包括三维真空腔、三维冷却激光、三维梯度线圈、真空差分管、二维梯度线圈、二维真空腔、二维冷却激光、地磁补偿线圈、光电探测器、SMA同轴电缆、USB多通道数据采集卡、USB连接线和数据处理模块；

二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔构成二维磁光阱，用于实现冷原子束流的输出；二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔的几何中心在空间重合；三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔构成三维磁光阱，用于俘获冷原子束流形成冷原子团；三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔的几何中心在空间重合；二维磁光阱和三维磁光阱通过真空差分管连接，所述真空差分管的内孔为阶梯孔，阶梯孔由连接二维真空腔的小孔径段和连接三维真空腔的大孔径段构成；所述光电探测器为三对，三对光电探测器分别安装在三维真空腔的三对正交的金属面上，且和三维地磁补偿线圈的中心重合；三对光电探测器的感光面正对三维磁光阱的几何中心；三对光电探测器的输出端连接各自对应的SMA同轴电缆的输入端，SMA同轴电缆的输出端连接到USB多通道数据采集卡的输入端，USB多通道数据采集卡的输出端通过USB连接线输入数据处理模块；

所述二维冷却激光以输出方向可调节的方式与冷原子束流的输出方向呈小于90°的夹角设置。

进一步的：所述光电探测器采用硅基光电探测器S1337-1010BR。

进一步的：所述USB多通道数据采集卡采用USB-6343。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明可对三维磁光阱中俘获的冷原子团的位置进行精确诊断和辅助调节；通过三对正交光电探测器的差分信号输出，利用地磁补偿线圈辅助调节三维冷原子团的空间位置；通过对其中三对正交光电探测器的信号求和，利用公式和算法可以求出冷原子团的数目、温度以及装载时间；对求和信号进行微分，得到冷原子束流的通量和纵向速度，从而实现了多参数测量。

2、本发明中二维磁光阱采用倾斜角度入射，节省了水平推送光的使用，避免其对三维冷原子团探测的影响。

附图说明

图1是复合磁光阱工作示意图；

图2是本发明基于多维平衡探测技术的冷原子团多参数测量原理图；

图3是冷原子团多参数测量流程图。

图中：101、三维真空腔；102、三维冷却激光；103、三维梯度线圈；104、冷原子团；105、真空差分管；106、冷原子束流；107、二维梯度线圈；108、二维真空腔；109、二维冷却激光；201、地磁补偿线圈；202、光电探测器；203、SMA同轴电缆；204、数据采集卡；205、USB连接线；206、数据处理模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，请参见图1和2，包括三维真空腔、三维冷却激光、三维梯度线圈、真空差分管、冷原子束流、二维梯度线圈、二维真空腔、二维冷却激光、地磁补偿线圈、光电探测器、SMA同轴电缆、USB多通道数据采集卡、USB连接线和数据处理模块。二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔构成二维磁光阱，实现冷原子束流的输出。二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔的几何中心在空间重合。三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔构成三维磁光阱，俘获冷原子束流形成冷原子团。三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔的几何中心在空间重合。二维磁光阱和三维磁光阱通过真空差分管连接。光电探测器安装在三维真空腔上三对正交的金属面上，和三维地磁补偿线圈的中心重合。光电探测器的感光面正对三维磁光阱的几何中心，光电探测器的输出端连接SMA同轴电缆的输入端，SMA同轴电缆的输出端连接到USB多通道数据采集卡的输入端，USB数据采集卡的输出端通过USB连接线输入数据处理模块。

上述连接二维磁光阱和三维磁光阱的真空差分管用于维持整个系统密闭的真空环境，在本发明中真空差分管采用特殊设计，具体的，真空差分管的内孔采用阶梯孔型，阶梯孔由连接二维真空腔的小孔径段和连接三维真空腔的大孔径段构成，以实现用于维持两个区域不同的真空度。其中小孔径段的孔径优选为1.5mm，用于输出冷原子束流。

上述二维冷却激光的输出方向与冷原子束流的输出方向之间呈小于90°的夹角，且二维冷却激光的输出方向设计为可调节的，具体的，可利用镜架精细调节，通过改变二维冷却激光在原子输出方向的投影分量，从而控制冷原子束流的通量和速度分布等参数。

上述光电探测器优选采用高灵敏度的硅基光电探测器S1337-1010BR，其感光面积高达10mm×10mm，最大反向工作电压为5V，在780nm处的灵敏度为0.5A/W。光电探测器的最大暗电流小于100pA，上升时间小于3μs，等效噪声功率谱密度为1.5×10^-14W/Hz^1/2。

上述USB多通道数据采集卡优选采用USB-6343，具有32个模拟输入通道，可以实现500kS/s、16bit的数据采集。采集时间分辨率小于10ns，最大模拟输入电压±11V，相邻通道间的数据串扰低于75dB。

上述三对光电探测器分别安装在三维真空腔的三对正交的金属面上，分别对冷原子团的荧光强度进行收集。光电探测器收集到的信号通过各自的SMA同轴电缆送入数据采集卡USB-6343的不同输入通道中，然后利用USB连接线传输到数据处理模块进行后续处理。

每对光电探测器的差分输出，分别用于指导调节各自维度的地磁补偿线圈电流，并根据反馈后采集的新的一组数据，重复上述步骤，直到每对光电探测器的差分输出均值为0。

在地磁补偿线圈的电流调节结束后，将数据采集卡USB-6343收集的三对光电探测器的信号进行求和，然后利用自主编制的算法求解冷原子束流的通量、速度分布，以及冷原子团的数目和温度等信息。

本发明的主要创新点在于：利用平衡对称的原理，在多面体真空腔的三对正交面上，分别安装相同的六个光电探测器，用于测量三维冷原子团的荧光信号。通过自主设计的算法，以三对光电探测器的差分输出是否为0作为判定条件，指导三对地磁补偿线圈的电流调节。同时，利用上述光电探测器收集到的数据，还可以计算出冷原子团和冷原子束流的相关参数。

图1所示为冷原子团的产生装置——二维磁光阱和三维磁光阱构成的复合磁光阱的工作示意图。两对椭圆形的冷却光109(另一对垂直于纸面，未画出)的频率失谐量为-15MHz，功率为45mW，光斑直径为7mm×21mm。上述激光以一定角度照射原子，配合两对工作电流为1.3A的二维梯度线圈107(虚线矩形所示，其它三个未画出)，构成二维磁光阱。在合适的光强和磁场下，对背景原子冷却，产生冷原子束流106(椭圆形所示)。二维真空腔108和三维真空腔101之间通过真空差分管105连接，其中冷原子束流通过1.5mm的小孔进入左侧的三维真空腔。三维真空腔由十四面体的钛合金材料制作而成，其中六个较大的窗口用于照射冷却激光102(图中45°各一对，另一对垂直于纸面，未画出)，配合一对反海姆霍兹线圈103(虚线圆环所示)，构成三维磁光阱。三维冷却激光的频率失谐为-15MHz，光斑直径为18mm，功率为10mW；三维梯度线圈的工作电流1.5A。三维磁光阱对冷原子束流进行进一步的冷却，形成冷原子团104，用于后续实验。

图2所示为多维平衡检测技术的工作原理图，三维真空腔的另外六个较小的窗口用于安装光电探测器202(图中仅显示四个，另一对垂直于纸面，图中未画出)。每一个光电探测器的感光面正对三维真空腔的中心，同时和该方向的地磁补偿线圈201(虚线矩形所示)同轴。每个光电探测器的输出端连接SMA同轴电缆203，然后接到USB多通道数字采集卡204中，并通过USB数据线205送入数据处理模块206中进行下一步的信号处理。每两个相对安装的光电探测器的输出信号作差，作为一个新的差分输出。

图3所示为冷原子团多参数测量的工作流程图。每次实验开始时，启动电源，将各项仪器调至预设工作点，然后启动采集程序，开始数据采集。通过数据处理模块，观测三对光电探测器的差分输出是否为0。如果不为0，则依次检查x，y，z三个方向的差分输出是否为0，并根据结果调节相应的地磁补偿线圈的驱动电流，进而调节冷原子团在真空腔中的绝对位置，直至所有三对光电探测器的差分输出均为0，然后固定此时三对地磁补偿线圈的工作电流。

上述过程可用下式表示

其中

代表三个正交方向上光电探测器信号的差分输出，

和

分别代表每个方向相对光电探测器的单路输出信号。

当上述调节过程完成后，对三个正交方向上光电探测器的输出信号进行求和，可以得到诸多冷原子团和冷原子束流的参数信息。

通过对三对光电探测器的输出进行求和平均，然后根据标定的光电探测器的量子转化效率，可以得到冷原子团的原子数目N₀。

公式中诸函数的详细定义参见王义遒《原子的激光的冷却与陷俘》P305。

利用飞行时间法，测量两个不同时刻的三对光电探测器的信号强度，可以分别求解出冷原子团在三个方向的扩散速度，进而计算出冷原子团的温度。

m为原子质量，k_B为玻尔兹曼常数，a_i(t₂)和a_i(t₁)分别为t₁和t₂时刻的冷原子团的半径。

冷原子团的装载过程可以近似用下式来表示。通过测量每个周期中冷原子团的装载曲线斜率，可以求解出冷原子束流的通量，以及冷原子团的装载时间。

N(t)＝N₀(1-e^-t/τ) (4)

其中，N₀为公式(2)计算的稳态原子数目，τ为冷原子团的装载时间。相对应地，冷原子束流的通量为

Flux＝dN(t)/dt＝N₀/τ (5)

然后，关闭三维磁光阱的梯度磁场，通过求解冷原子团的衰减过程随时间的微分，可以求解冷原子束流的纵向速度分布

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，其特征在于：

包括三维真空腔、三维冷却激光、三维梯度线圈、真空差分管、二维梯度线圈、二维真空腔、二维冷却激光、地磁补偿线圈、光电探测器、SMA同轴电缆、USB多通道数据采集卡、USB连接线和数据处理模块；

二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔构成二维磁光阱，用于实现冷原子束流的输出；二维冷却激光、二维梯度线圈和二维真空腔的几何中心在空间重合；三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔构成三维磁光阱，用于俘获冷原子束流形成冷原子团；三维冷却激光、三维梯度线圈和三维真空腔的几何中心在空间重合；二维磁光阱和三维磁光阱通过真空差分管连接，所述真空差分管的内孔为阶梯孔，阶梯孔由连接二维真空腔的小孔径段和连接三维真空腔的大孔径段构成；所述光电探测器为三对，三对光电探测器分别安装在三维真空腔的三对正交的金属面上，且和三维地磁补偿线圈的中心重合；三对光电探测器的感光面正对三维磁光阱的几何中心；三对光电探测器的输出端连接各自对应的SMA同轴电缆的输入端，SMA同轴电缆的输出端连接到USB多通道数据采集卡的输入端，USB多通道数据采集卡的输出端通过USB连接线输入数据处理模块；

所述二维冷却激光以输出方向可调节的方式与冷原子束流的输出方向呈小于90°的夹角设置。

2.根据权利要求1所述的基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，其特征在于：所述光电探测器采用硅基光电探测器S1337-1010BR。

3.根据权利要求1所述的基于多维平衡探测技术的冷原子多参数测量装置，其特征在于：所述USB多通道数据采集卡采用USB-6343。

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