CN111412908A - 一种原子喷泉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原子喷泉装置，属于冷原子干涉仪领域。冷原子团处于非零塞曼子能级上；梯度磁场线圈的目的是产生四极型阱，原子团在其中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力，偏置磁场线圈由亥姆霍兹线圈构成，目的是产生大小和方向可变的均匀磁场，改变四极型阱的磁场零点位置，四个线圈共同作用，使原子团受到定向的加速，进而实现方向任意的原子喷泉；磁场线圈驱动电路目的是给磁场线圈提供驱动电流，实现原子喷泉的开启和关闭，以及方向和速度的设置，并保持原子喷泉方向的稳定。本发明实现了方向任意选择且方向稳定的原子喷泉，且不会对原子团造成加热，装置可靠稳定、使用方便，满足原子干涉仪的使用需求，提升了其惯性参数测量能力。

Description

一种原子喷泉装置

技术领域

本发明涉及一种原子喷泉装置，属于冷原子干涉仪领域。

背景技术

冷原子物理领域是当前发展最快、成果最为辉煌的一个方向，冷原子在极端低温下，即使达到μK甚至nK量级，仍然维持着气态，原子间相互碰撞的概率很低，基本处于孤立状态，具有物质波波长大、与外场可长时间相互作用等常温原子所没有的优势，在以原子干涉仪为代表的量子精密测量方向有着极为重要的应用。

原子喷泉技术是影响原子干涉仪性能的关键技术。当前使原子喷泉加速的方法有共振光加速法和光学移动粘团法，共振光加速法的原理是使用一束共振或近共振激光照射原子团，原子受到激光散射力而加速，缺点是最终加速效果受激光频率和功率抖动的影响很大，且因为原子的受激吸收和自发辐射效应会使原子团加热升温；光学移动粘团法的原理是使用一对驻波光场(或者多对按一定规律排列的驻波光场)照射原子团，形成驻波光场的激光有一定的频率差，此时原子团将获得正比于频率差的速度，缺点是结构复杂，需要精确控制多对激光的频率，且因功率不平衡、对准不准确等因素易造成加速方向倾斜的问题，对实验结果产生重大影响，更重要的是，使用现有原子喷泉技术的原子干涉仪一旦组装定型，一般仅能产生确定方向的原子喷泉，对确定惯性参数有足够测量灵敏度，极大限制了原子干涉仪的测量能力，比如对原子干涉重力仪来说，其喷泉方向为垂直方向，仅能够测量垂直方向的重力加速度值，无法测量水平方向重力梯度、水平方向加速度以及旋转速度等其他惯性参数。

发明内容

本发明的目的是解决现有原子喷泉技术喷泉方向受限、易造成喷泉方向倾斜以及装置复杂等缺点，提出一种原子喷泉装置，实现方向任意选择且方向稳定的原子喷泉，满足原子干涉仪的使用需求，提升其惯性参数测量能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种原子喷泉装置，包括：冷原子团、梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈、第三偏置磁场线圈和磁场线圈驱动电路。

冷原子团处于非零塞曼子能级上，是原子喷泉的载体；梯度磁场线圈由反亥姆霍兹线圈构成，目的是产生四极型阱，原子团在其中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力，偏置磁场线圈由亥姆霍兹线圈构成，目的是产生大小和方向可变的均匀磁场，改变四极型阱的磁场零点位置，四个线圈共同作用，使原子团受到定向的加速，进而实现方向任意的原子喷泉；磁场线圈驱动电路目的是给磁场线圈提供驱动电流，实现原子喷泉的开启和关闭，以及方向和速度的任意选择，并保持原子喷泉方向的稳定。

所述原子喷泉方向的任意选择是通过以下方法实现的：

处于非零塞曼子能级上的冷原子团在梯度线圈产生的四极型阱中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力，作用力大小的表达式为：

F＝μ_Bg_Fm_FB_gra

其中，μ_B表示玻尔磁子，g_F为朗德因子，m_F为磁量子数，B_gra为磁场梯度大小，因原子团处在非零塞曼子能级，也即m_F≠0，则原子团会受到与磁场梯度大小成正比的作用力，所受作用力方向指向(或背离)磁场零点。

三个偏置磁场线圈以相互正交分布，因对称性，每个偏置磁场线圈仅在其轴线方向产生均匀磁场，径向方向的磁场相互抵消，均匀磁场大小与驱动电流大小呈正比，方向和驱动电流方向有关。虽然原子处在均匀磁场中不会受到作用力，但是可以通过改变均匀磁场的大小和方向改变梯度磁场线圈产生的四极型阱的磁场零点位置，进而实现作用力方向的设置，也即原子喷泉方向的设置。

综上，当原子团所处位置一定时，可以通过改变梯度磁场线圈的驱动电流大小改变原子团所受的作用力大小，通过改变三个偏置磁场线圈的驱动电流大小和方向以及梯度磁场线圈的电流方向改变原子团所受作用力方向，进而实现任意方向的原子喷泉。

所述原子喷泉方向的稳定不变是通过以下方法实现的：

梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈和第三偏置磁场线圈的电流均由磁场线圈驱动电路产生，每一个线圈对应的驱动电路均由一个电压控制双向恒流源构成，线圈上的电流大小与控制电压成正比，电流方向与控制电压符号有关，电压控制双向恒流源是一种负反馈电路，电流稳定性比普通无反馈电路大大提高，电流稳定性又与原子团所受作用力的大小和方向的稳定性呈正相关，进而实现了原子喷泉方向的稳定不变。

有益效果

1、本发明公开的一种原子喷泉装置，是一种可以实现任意方向原子喷泉的装置，且原子喷泉方向稳定不变，不会出现喷泉方向倾斜的问题，可以大幅度提升原子干涉仪的惯性参数测量能力。

2、本发明公开的一种原子喷泉装置，磁场线圈驱动电路使用电压控制双向恒流源，电流稳定性极高，既保证了原子喷泉方向的稳定性，又控制方便、易实现自动化。

3、本发明公开的一种原子喷泉装置，使用磁场产生作用力驱动原子加速实现原子喷泉，不涉及原子的自发辐射过程，不会对原子团造成加热。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的磁场线圈驱动电路的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的电压控制双向恒流源电路图。

其中，1-梯度磁场线圈；2-第一偏置磁场线圈；3-第二偏置磁场线圈；4-第三偏置磁场线圈；5-冷原子团。

电气符号：

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的结构示意图。一种原子喷泉装置，包括：冷原子团；梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈、第三偏置磁场线圈；还包括磁场线圈驱动电路。

冷原子团5处于非零塞曼子能级上，是原子喷泉的载体。本实施例中的原子团指的是使用冷原子实验室常用的碱金属⁸⁷Rb原子制备的冷原子团，处于基态5S_1/2F＝1,m_F＝-1的能级上。

四个磁场线圈的中心位置重合。梯度磁场线圈1由一对反亥姆霍兹线圈构成，线圈轴向沿着坐标轴z方向，目的是产生四极型阱，原子团在其中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力。作用力大小的表达式为：

F＝μ_Bg_Fm_FB_gra

其中，μ_B表示玻尔磁子，μ_B＝9.724×10^-24J/T，g_F为朗德因子，g_F＝-1/2，m_F为磁量子数，m_F＝-1，B_gra为磁场梯度大小，取300G/cm，原子的质量为m_Rb＝1.443×10^-25kg，则原子团所受的加速度为

已经足够产生明显的原子喷泉，10ms的作用时间可以使原子团获得1m/s的速度。所受作用力(加速度)大小与磁场梯度大小成正比，所受作用力方向指向(或背离)磁场零点，在原子团喷泉加速过程中，不涉及原子能级跃迁和自发辐射效应，因此不会对原子团造成加热。

第一偏置磁场线圈2由一对亥姆霍兹线圈构成，线圈轴向沿着坐标轴z方向，因对称性，其在xy方向产生的磁场相互抵消，仅在z方向产生均匀磁场。第二偏置磁场线圈3也由一对亥姆霍兹线圈构成，线圈轴向沿着坐标轴x方向，因对称性，其在yz方向产生的磁场相互抵消，仅在x方向产生均匀磁场。第三偏置磁场线圈4同样由一对亥姆霍兹线圈构成，线圈轴向沿着坐标轴y方向，因对称性，其在xz方向产生的磁场相互抵消，仅在y方向产生均匀磁场。偏置磁场线圈产生磁场的大小和方向由加载其上的电流大小和方向决定，原子处在均匀磁场中不会受到作用力，但是可以通过改变均匀磁场的大小和方向改变梯度磁场线圈产生的四极型阱的磁场零点位置，进而实现作用力方向的设置，也即原子喷泉方向的设置。

三个偏置磁场线圈共同作用，可以产生大小和方向可变的均匀磁场，改变梯度磁场线圈产生的四极型阱的磁场零点位置，使原子团受到定向的作用力进而产生定向的加速，也即实现定向原子喷泉。当原子团所处位置一定时，可以通过改变梯度磁场线圈的驱动电流大小改变原子团所受的作用力大小，通过改变三个偏置磁场线圈的驱动电流大小和方向以及梯度磁场线圈的电流方向改变原子团所受作用力方向，进而实现任意方向的原子喷泉。比如，若四个磁场线圈的电流方向为图1中的方向，设置梯度磁场线圈1的电流使其在z轴产生300G/cm的梯度磁场，设置第二偏置磁场线圈和第三偏置磁场线圈的电流为零，设置第一偏置磁场线圈的电流使其在-z方向产生300G的均匀磁场，则四对线圈综合作用，使位置处于线圈中心处的原子团受到指向-z方向的作用力，相应加速度大小约为100m/s²；若四个磁场线圈的电流方向为图1中的方向，设置梯度磁场线圈1的电流使其在xy平面产生150G/cm的径向梯度磁场，设置第一偏置磁场线圈的电流为零，设置第二偏置磁场线圈的电流使其在-x方向产生150G的均匀磁场，设置第三偏置磁场线圈的电流使其在y方向产生150G的均匀磁场，则四对线圈综合作用，使位置处于线圈中心处的原子团受到y和-x对角线方向的作用力，相应加速度大小约为50m/s²；同样的，设置四对线圈的电流大小和方向，可以使原子团受到其他方向和大小的作用力。

如图2，为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的磁场线圈驱动电路的电路示意图。磁场线圈驱动电路目的是给磁场线圈提供驱动电流，实现原子喷泉的开启和关闭，以及方向和速度的设置，并保持原子喷泉方向的稳定。梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈和第三偏置磁场线圈的电流均由磁场线圈驱动电路产生，每一个线圈对应的驱动电路均由一个电压控制双向恒流源构成，线圈上的电流大小与控制电压成正比，电流方向与控制电压符号有关，电压控制双向恒流源是一种负反馈电路，电流稳定性比普通无反馈电路大大提高，电流稳定性又与原子团所受作用力的大小和方向的稳定性呈正相关，进而实现了原子喷泉方向的稳定不变。传统光学移动粘团原子喷泉技术，受限于激光功率不平衡、功率抖动、方向对准不好、偏振方向不纯等因素的影响，通常会造成1％水平的喷泉方向倾斜，对原子干涉测量实验产生重大影响，而本发明实施例提供的原子喷泉装置，得益于电压控制双向恒流源好于0.01％水平的稳定性，原子喷泉方向稳定性不变。

进一步详细说明电压控制双向恒流源电路，因为四个磁场线圈对应的驱动电路模块结构相同，仅以一个为例。如图3，为本发明实施例提供的一种原子喷泉装置的电压控制双向恒流源电路图。线圈的通断受总开关U5控制，U5处于悬浮工作状态，其控制信号为Vc_main。XCP1表示霍尔传感器，作用是测量流过线圈的电流，XCP1感生电流经R8变换为电压后输入U1A，作为负反馈信号使用，电阻R15的作用是对负反馈信号增加一个小的偏置，防止线圈误开启。L0表示梯度磁场线圈，R0表示线圈等效电阻，一般为百毫欧姆量级。VD1-VD4是防反灌二极管，D1-D4是保护二极管。电阻C1与R3(C2与R11)构成滤波电路，防止电路自激振荡。

当U5关闭时，电路迅速关断，使磁场降为零，原子团所受的作用力降为零。当U5打开时，电路处于开启状态，电流大小和方向受Vc_L0控制。当Vc_L0为正时，U2处于截止状态；三极管Q1导通、Q2截止，使U4完全打开，U3完全截止；此时电流方向由左向右，从V+开始经由U5、U1、VD1、L0(R0)、VD4、U4后连接到地，形成闭合回路；U1处于受控状态，形成负反馈回路控制电流大小，使其与Vc_L0成正比。

当Vc_L0为负时，U1处于截止状态；三极管Q1截止、Q2导通，使U3完全打开，U4完全截止；此时电流方向由右向右左，从V+开始经由U5、U2、VD2、L0(R0)、VD3、U3后连接到地，形成闭合回路；U2处于受控状态，形成负反馈回路控制电流大小，使其与Vc_L0成正比。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种原子喷泉装置，其特征在于：包括：冷原子团、梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈、第三偏置磁场线圈和磁场线圈驱动电路；

冷原子团处于非零塞曼子能级上，是原子喷泉的载体；梯度磁场线圈由反亥姆霍兹线圈构成，目的是产生四极型阱，原子团在其中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力，偏置磁场线圈由亥姆霍兹线圈构成，目的是产生大小和方向可变的均匀磁场，改变四极型阱的磁场零点位置，四个线圈共同作用，使原子团受到定向的加速，进而实现方向任意的原子喷泉；磁场线圈驱动电路目的是给磁场线圈提供驱动电流，实现原子喷泉的开启和关闭，以及方向和速度的任意选择，并保持原子喷泉方向的稳定；

所述原子喷泉方向的任意选择是通过以下方法实现的：

处于非零塞曼子能级上的冷原子团在梯度线圈产生的四极型阱中会受到与阱内磁场梯度大小成正比的作用力，作用力大小的表达式为：

F＝μ_Bg_Fm_FB_gra

其中，μ_B表示玻尔磁子，g_F为朗德因子，m_F为磁量子数，B_gra为磁场梯度大小，因原子团处在非零塞曼子能级，也即m_F≠0，则原子团会受到与磁场梯度大小成正比的作用力，所受作用力方向指向(或背离)磁场零点；

三个偏置磁场线圈以相互正交分布，因对称性，每个偏置磁场线圈仅在其轴线方向产生均匀磁场，径向方向的磁场相互抵消，均匀磁场大小与驱动电流大小呈正比，方向和驱动电流方向有关；虽然原子处在均匀磁场中不会受到作用力，但是通过改变均匀磁场的大小和方向改变梯度磁场线圈产生的四极型阱的磁场零点位置，进而实现作用力方向的设置，也即原子喷泉方向的设置；

通过改变梯度磁场线圈的驱动电流大小改变原子团所受的作用力大小，通过改变三个偏置磁场线圈的驱动电流大小和方向以及梯度磁场线圈的电流方向改变原子团所受作用力方向，进而实现任意方向的原子喷泉。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述原子喷泉方向的稳定不变是通过以下方法实现的：

梯度磁场线圈、第一偏置磁场线圈、第二偏置磁场线圈和第三偏置磁场线圈的电流均由磁场线圈驱动电路产生，每一个线圈对应的驱动电路均由一个电压控制双向恒流源构成，线圈上的电流大小与控制电压成正比，电流方向与控制电压符号有关，电压控制双向恒流源是一种负反馈电路，电流稳定性比普通无反馈电路大大提高，电流稳定性又与原子团所受作用力的大小和方向的稳定性呈正相关，进而实现了原子喷泉方向的稳定不变。

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