CN111561920B - 圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪 - Google Patents

圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明题为“圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪”。本发明提供了用于通过围绕圆形谐振器捕集冷碱原子并利用拉曼干涉测量法或布拉格干涉测量法来确定围绕圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的方法和设备。

Description

圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪
背景技术
陀螺仪用于确定围绕轴线的旋转速率。然而，常规陀螺仪(诸如谐振光纤陀螺仪)对旋转的灵敏度有限。一些应用需要较高旋转灵敏度。
基于原子干涉仪的陀螺仪具有较高旋转灵敏度。然而，基于原子干涉仪的现有陀螺仪通常不满足许多应用的尺寸、重量、功率和成本(SWAP-C)要求。此外，此类系统不能成本有效地批量制造，因为这些系统的性能需要在构造时进行显著的调整。另外，此类系统的性能易受环境因子的影响，使得这些系统的性能可变化，因此不可重复；因此，此类系统不满足应用稳定性要求。因此，基于原子干涉仪的当前陀螺仪不满足许多现代应用的要求。
因此，需要基于原子干涉仪的陀螺仪，该陀螺仪将满足顾客的SWAP-C要求和稳定性要求，并且可以成本有效地批量生产。
发明内容
本发明提供了一种方法。该方法包括：围绕圆形谐振器的圆周表面冷凝冷碱原子；围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面捕集碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数，以及从所述圆形谐振器的所述圆周表面移位所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数；将第一组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第一组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面产生第一倏逝场，所述第一倏逝场将所述碱原子的所述原子波函数分裂成两个部分；其中一个部分具有第一状态，并且另一部分具有第二状态；允许所述原子波函数的某些部分围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播至少一次；将第二组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第二组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第二倏逝场，所述第二倏逝场导致所述碱原子的所述原子波函数的所述两个状态具有取决于围绕所述圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的比率；将第三组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第三组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得透射光的振幅或相位或散射光的振幅取决于所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；测量所述第三组至少一个光学脉冲中的光学振幅和光学相位中的至少一者，所述光学振幅和光学相位已经由以下中的至少一者操作：由所述圆形谐振器透射和散射；基于由所述至少一个光学检测器测量的所述光学振幅和所述光学相位中的至少一者来确定围绕所述中心轴线与围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的旋转速率对应的所述原子波函数的所述两个部分之间的相移；以及使用所确定的相移来确定旋转速率。
附图说明
应当理解，附图仅示出了示例性实施方案，因此不应认为是限制本发明的范围，将通过附图的使用以附加特征和细节来描述示例性实施方案，其中：
图1A示出了圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪的一个实施方案的框图；
图1B示出了圆形谐振器的一个实施方案的视图；
图1C示出了包括可移动主体的系统的示例，该可移动主体包括至少一个圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪；并且
图2示出了圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪的示例性操作方法。
根据惯例，所描述的各种特征未必按比例绘制，而是用于强调与示例性实施方案相关的特定特征。参考字符在所有图和文本中表示类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示方式示出了特定的例示性实施方案。然而，应当理解，可利用其他实施方案，并且可进行该结构、机械和电气改变。此外，附图和说明书中呈现的方法不应被解释为限制可执行各个步骤的顺序。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
可使用圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪来克服上面参考的问题。与包括其他原子陀螺仪的替代陀螺仪相比，圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪的实施方案具有更小、更稳定、制造成本更有效和消耗功率更少的优点。
通过围绕圆形谐振器生成冷碱原子源来对圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪进行操作。第一连续波(CW)光学信号和第二CW光学信号光学耦合到圆形谐振器。第一CW光学信号和第二CW光学信号的频率分别在碱原子的谐振频率的正下方和正上方。碱原子的每个谐振频率是其中光能导致碱原子的电子改变电子状态的频率。此外，第一CW信号和第二CW信号具有基本上等于圆形谐振器的谐振频率的频率，以增加耦合到圆形谐振器的第一CW信号和第二CW信号的能量的量。耦合到圆形谐振器的第一CW信号和第二CW信号具有围绕圆形谐振器的圆周表面的倏逝场。
因此，第一CW光学信号吸引碱原子(和碱原子的原子波函数)，而第二CW光学信号排斥碱原子(和碱原子的原子波函数)。因为第二CW光学信号(具有较高频率)的倏逝场的强度或功率衰减得快于第一CW光学信号(具有较低频率)的倏逝场的强度或功率，所以围绕圆形谐振器的圆周表面捕集碱原子(和该碱原子的相应的原子波函数)，并且该碱原子(和该碱原子的相应的原子波函数)与圆形谐振器的圆周表面相距一些距离或从该圆周表面移位。与表面的距离可在50nm和300nm之间的范围内；然而，该范围是示例性的，并且距离的范围可取决于所使用的碱元件、圆形谐振器的设计和/或第一倏逝CW光学信号和第二倏逝CW光学信号的强度或频率而变化。第一CW光学信号和第二CW光学信号的倏逝场在本文中也可称为红蓝光学倏逝阱。
将第一组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。任选地，第一组一个或多个光学脉冲具有基本上等于圆形谐振器的谐振频率的基频，以增加耦合到圆形谐振器的第一组的能量的量。耦合到圆形谐振器的第一组一个或多个光学脉冲具有围绕圆形谐振器的圆周表面的倏逝场。在选择第一组脉冲的适当振幅、相位和频率时，入射在冷碱原子上的第一组一个或多个光学脉冲的倏逝场将碱原子的原子波函数分裂成两个部分。可使用薛定谔方程来确定将碱原子的原子波函数分裂成两个部分所需的第一组脉冲的振幅、相位和频率。对于布拉格原子干涉仪和拉曼原子干涉仪，第一组一个或多个光学脉冲的设计可以不同。在布拉格原子干涉仪中，光学脉冲被设计成将原子波函数的两个部分分裂成不同运动状态，从而保持相同的电子状态。在拉曼原子干涉仪中，光学脉冲被设计成将原子波函数的两个部分分裂成不同电子状态和不同运动状态。
因为它们被捕获在红蓝光学倏逝阱中，例如，原子波函数的每个部分从另一部分在相反的方向上(围绕圆形谐振器的圆周表面)传播，例如顺时针和逆时针。原子波函数的每个部分具有至少一种不同状态，例如，电子状态和运动状态(与拉曼原子干涉仪对应)或运动状态(与布拉格原子干涉仪对应)。电子状态是指原子中(例如碱原子中)的电子能级。运动状态是指围绕圆形谐振器的行进方向(例如顺时针和逆时针)、以及状态的动量。随着第一组脉冲的数量的增加，原子波函数的每个部分可围绕圆形谐振器的圆周表面行进较多次数。
在一段时间之后，将第二组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。取决于所需的灵敏度、圆形谐振器的尺寸和第一组光学脉冲中的脉冲的数量，第一组一个或多个光学脉冲和第二组一个或多个光学脉冲之间的时间可为数十至数百毫秒。第二组一个或多个光学脉冲具有基本上等于圆形谐振器的谐振频率的基频，以增加耦合到圆形谐振器的第二组的能量的量。耦合到圆形谐振器的第二组一个或多个光学脉冲具有围绕圆形谐振器的圆周表面的倏逝场。对于布拉格原子干涉仪和拉曼原子干涉仪，第二组一个或多个光学脉冲的设计可以不同。第二组光学脉冲被设计成重新组合由第一组光学脉冲产生的分裂原子波函数。第一组光学脉冲和第二组光学脉冲的光谱内容以及这些光学脉冲的强度和持续时间在这两个方案之间可以不同。
第二组脉冲的倏逝场导致碱原子的原子波函数具有第一状态的总体与第二状态的总体的特定比率。例如，如果围绕循环原子波函数的中心轴线(中心轴线)(例如，圆形谐振器的中心轴线)不存在旋转，则该比率可为例如一比一或一比零，这取决于第二组脉冲的振幅、相位和频率。可使用薛定谔方程来确定第二组脉冲的振幅、相位和频率以及总体比率为零旋转。
本文所描述的系统充当原子干涉仪，因为如果围绕中心轴线存在旋转，则在原子波函数的两个部分之间产生相移并且通过第二组脉冲将该相移映射到总体比率上。
随后，将第三组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。第三组一个或多个光学脉冲具有圆形谐振器的基本上等于圆形谐振器的谐振频率的基频，以增加耦合到圆形谐振器的第三组的能量的量。耦合到圆形谐振器的第三组一个或多个光学脉冲具有围绕圆形谐振器的圆周表面的倏逝场。对于布拉格原子干涉仪和拉曼原子干涉仪，第三组一个或多个光学脉冲的设计可以不同。第三组光学脉冲被设计成使得在与原子进行相互作用之后的脉冲的振幅和/或相位取决于碱原子的总体比率。例如，在布拉格原子干涉仪中，第三组光学脉冲被设计成区分原子的两种运动状态，而在拉曼原子干涉仪中，第三组光学脉冲可被设计成与原子波函数的两种不同电子状态谐振。
如果围绕中心轴线存在旋转，则原子波函数的两个部分之间的原子状态的总体比率由于在原子波函数上产生的不同相移而不同。因此，改变第三组一个或多个光学脉冲的随后透射到检测器的振幅和相位。例如，在布拉格干涉仪中，由于在不同速度下移动的两个部分之间的多普勒漂移差值，与另一部分相比，第三组光学脉冲可更接近原子波函数的部分中的一个部分的谐振频率。因此，与另一部分相比，第三组光学脉冲将与一个部分进行更强烈地相互作用，从而使得第三组光学脉冲的吸收或相位延迟取决于原子波函数的总体比率。然而，例如，在拉曼原子干涉仪中，第三组光学脉冲可与原子波函数的一个部分(而不是另一部分)的电子状态中的一种电子状态谐振，使得第三组光学脉冲的吸收或相位延迟取决于原子波函数的总体比率。可以利用薛定谔方程来确定第三组光学脉冲的吸收或相位延迟对原子波函数的总体的依赖性。术语部件可与术语部分互换使用。
可使用吸收和/或散射能量的振幅(相对于无旋转的振幅)的改变和/或透射能量的相位(相对于无旋转的相位)的改变来确定两种状态的相对总体。以周期性正弦波函数来将总体的状态以及振幅与相移相关：/>其中C是常数。因为通过将第三组光学脉冲的吸收或相位延迟的改变与总体比率相关来测量总体(围绕中心轴线的无旋转和旋转之间)的改变，所以能够容易地确定波函数的两个部分之间的相移/>使用萨格纳克方程，可确定围绕中心轴线的旋转速率(Ω)：
其中m为碱原子的质量，A为由循环原子波函数包围的横截面积，并且h为普朗克常数。
图1A示出了圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪(原子陀螺仪)100的一个实施方案的框图。原子陀螺仪100包括圆形谐振器101、原子阱102、碱原子103、至少一个光学波导(一个或多个光学波导)104、第一光源105a、第二光源105b、第三光源105c、第一光学检测器106a和处理系统108。任选地，本文所描述的光源例如上述的光源可组合成一个或多个光源。本文所描述的光学检测器也可称为光学检测器电路。
第一光学检测器106a可为振幅检测器(例如，包括一个或多个光电二极管和任选地耦合到两个光电二极管的输出部的差分放大器)和/或相位检测器，例如干涉仪。第一光源105a、第二光源105b和/或第三光源105c光学耦合到至少一个光学波导104。第一光源105a、第二光源105b和/或第三光源105c可各自利用光耦合器或通过将源附接到至少一个光学波导104的端部而耦合到至少一个光学波导104。每个光源包括至少一个CW和/或脉冲激光器。任选地，处理系统108可包括耦合到存储器电路的处理电路。
圆形谐振器101是指其中光基本上在闭合路径中的非自由空间介质中行进的光学谐振器。圆形谐振器可以是但不限于圆盘谐振器、环形谐振器、跑道型谐振器或任何其他双连几何形状光学谐振器。环形谐振器与为优选的能与之相比的圆盘谐振器相比可具有较高Q因子。较高Q因子允许更多的能量耦合到圆形谐振器101并从该圆形谐振器耦合，这增强了原子陀螺仪100的灵敏度。
图1B示出了圆形谐振器101的一个实施方案的视图。圆周表面101c示于图1B中。
圆形谐振器101可形成在半导体衬底中。如本文所用，半导体衬底包括可使用常规半导体制造技术进行加工的硅半导体衬底。
碱原子103被容纳在原子阱102内。碱原子103可为例如铷原子或铯原子中的一者；然而，碱原子103可为任何其他类型的碱原子中的一种碱原子。
圆形谐振器101具有基本上等于谐振频率的谐振频率，该谐振频率与碱原子103的原子波函数的电子能级的改变对应。例如，与铷的电子能级的改变相关联的谐振频率具有780nm的波长。
原子阱102可为例如包围圆形谐振器101的磁光阱或光学偶极阱。任选地，原子阱102包括至少一个激光器。原子阱102(例如，在玻色–爱因斯坦凝聚或冷热系综中)集中围绕圆形谐振器101的圆周101a的表面的碱原子103。注意，如本文所用，术语圆周是指周边，并且不限于特定形状，诸如圆形。如果原子阱102是磁光阱，则可以通过分别激活和停用围绕圆形谐振器的圆周101a的中心相交的三个正交光束以及原子阱102中的跨圆形谐振器的DC磁场来启用和禁用原子阱102。原子阱102包括真空室，该真空室容纳碱原子103、圆形谐振器101和任选地至少一个光学波导104的至少一部分。
第一光源105a和第二光源105b分别生成前述第一CW光学信号105a'和第二CW光学信号105b'。如果使用为铷原子的碱原子，则例如第一CW光学信号105a'和第二CW光学信号105b'可具有分别大于或等于790nm和小于或等于770nm的波长。然而，可使用其他波长范围。
第一光源105a和第二光源105b耦合到至少一个光学波导104。第一CW光学信号105a'和第二CW光学信号105b'耦合到至少一个光学波导104并穿过该至少一个光学波导传播到圆形谐振器101。至少一个光学波导104可为在衬底(例如，半导体衬底)中形成的光纤或波导。
至少一个光学波导104可为如图1A所示的单个光学波导或者两个或更多个光学波导。任选地，每个光源105a、105b、105c和第一光学检测器106a可通过单独的光学波导耦合到圆形谐振器101。无论所使用的光学波导的数量如何，为了有利于将光学信号从至少一个光学波导104有效光学耦合到圆形谐振器101，此类光学波导中的每个光学波导的至少一部分有利地平行于圆形谐振器101的圆周表面的一部分，如图1A所示。另外，因为第一CW光学信号105a'和第二CW光学信号105b'的频率相对接近圆形谐振器101的谐振频率，所以第一CW光学信号105a’和第二CW光学信号105b'的大量能量耦合到圆形谐振器101。
在第一光源105a和第二光源105b之前激活原子阱102。随后，通过生成第一CW光学信号105a'和第二CW光学信号105b'来激活红蓝光学倏逝阱。原子阱102的操作和红蓝光学倏逝阱重叠持续一时间段，例如持续1微秒和300毫秒之间，在这之后禁用原子阱102。因此，围绕圆形谐振器101的圆周表面集中碱原子103，然后围绕圆周表面捕集该碱原子，并且以固定距离(例如25nm-100nm或50nm)从圆周表面移位该碱原子。
原子陀螺仪100利用原子干涉仪。原子干涉仪作为拉曼原子干涉仪或布拉格原子干涉仪进行操作。如本文其他地方所讨论，对于拉曼原子干涉仪，原子波函数的每个部分具有不同电子状态，并且对于布拉格原子干涉仪，原子波函数的每个部分具有不同运动状态。
首先将描述拉曼原子干涉仪实施方案。随后，第三光源105c生成第一组一个或多个光学脉冲105c'。第一组一个或多个光学脉冲105c'耦合到光学波导104，然后耦合到圆形谐振器101。第一组一个或多个脉冲105c'将碱原子103的原子波函数分裂成两个部分。第一组一个或多个光学脉冲105c'包含两组一个或多个脉冲，每个脉冲具有不同基频。基频的差值接近过渡到第二状态(即第二电子状态)的谐振频率。每个基频接近圆形谐振器101的谐振频率，以增强从光学波导104耦合到圆形谐振器101的能量。可使用薛定谔方程来选择两组一个或多个光学脉冲105c'的振幅、相位和基频，使得波函数的一个或两个部分可围绕圆形谐振器101的圆周表面循环。出于教学目的，将描述在相反的方向上围绕圆形谐振器101的圆周表面传播的两个部分。
随后，第三光源105c生成第二组一个或多个光学脉冲105c"。第二组一个或多个光学脉冲105c"耦合到光学波导104，然后耦合到圆形谐振器101。如果围绕循环原子波函数的中心轴线(例如围绕圆形谐振器101的中心轴线101b)不存在旋转，则原子波函数的两个部分组合形成具有第一状态(即第一电子状态)的原子波函数；因此，第一状态的总体为百分之一百，而第二状态的总体为百分之零。然而，如果围绕圆形谐振器101的中心轴线101b存在旋转，则取决于由旋转产生的原子相位第二组光学脉冲将产生原子状态的不同总体比率。第一状态的总体将小于百分之一百，而第二状态的总体将大于百分之零。两种状态的相对总体可被探知并用于确定围绕中心轴线101b的旋转速率107。
为了确定相对总体，第三光源105c生成第三组一个或多个光学脉冲105c”'。第三组一个或多个光学脉冲105c”'具有基本上等于将电子从第一电子状态改变为第二电子状态的谐振频率的基频。
在一个实施方案中，第三组一个或多个光学脉冲105c”'耦合到光学波导104，然后耦合到圆形谐振器101。任选地，第三组一个或多个光学脉冲105c”'也(例如端接至少一个光学波导104或使用光耦合器)耦合到第一光学检测器106a。第一光学检测器106a可测量在圆形谐振器101的另一侧上的至少一个光学波导104的一个端部上的来自第三光源105c的第三组一个或多个光学脉冲105c”'的振幅以及由第三光源105c发射的第三组一个或多个光学脉冲105c”'的任选的振幅；任选地，由第三光源105c发射的第三组一个或多个光学脉冲105c”'的振幅可被编程或存储在第一光学检测器106a中。任选地，可通过光耦合器(例如，在至少一个光学波导104之前和第三光源105c之后)来提取由第三光源105c发射的第三组一个或多个光学脉冲105c”'。
第一光学检测器106a可确定第三组一个或多个光学脉冲105c”'的从圆形谐振器101透射的(并且例如，由第一光学检测器106a接收的)相对振幅(例如，相对于由第三光源105c发射的第三组的振幅的百分比)。第三组的由第三光源发射并由圆形谐振器101透射的振幅之间的差值对应于第一电子状态和第二电子状态的总体的比率。可将该数据传送到处理系统108；第一检测器106a的输出部耦合到处理系统108的输入部。第一电子状态的总体和第二电子状态的总体以及相对检测到的振幅通过上述周期性正弦波函数与两个电子状态之间的相移相关。因此，处理系统可使用相对振幅来确定相对于峰值振幅的相移/>已知由旋转速率导致的相移/>处理系统可使用萨格纳克方程来确定旋转速率Ω。
任选地，原子陀螺仪100包括第二检测器106b，该第二检测器接近圆形谐振器101的与圆周101a共面的表面101c(具有圆形表面积)，例如在该表面上方。第二检测器106b可除了或替代第一检测器106a。第二检测器106b检测从围绕圆形谐振器101捕集的原子103散射(例如发荧光)的光的能量。从原子散射的光的量取决于原子状态。因此，通过已知与无旋转的散射光的能量相比较的散射光能，可以确定原子波函数的总体比率。相应地，可如上所述来确定旋转速率Ω。
另选地，可通过测量第三组一个或多个光学脉冲105c”’的从圆形谐振器101透射并由第一光学检测器106a接收的相位或振幅的改变(相对于零的旋转速率)来确定旋转速率Ω。可使用量子电动力学(例如，杰恩斯-卡明斯模型)来确定谐振频率对两种状态的总体的依赖性。然后，由于圆形谐振器的改变的谐振频率，第三组光学脉冲的透射取决于原子状态的总体比率。
布拉格干涉仪的实施方式类似于拉曼干涉仪的实施方式，但进行了一些修改。第二组一个或多个光学脉冲105c"使得在与无旋转速率对应的静止(即，无运动)状态下存在原子波函数的总体以及与旋转速率对应的继续移动(即围绕圆周101a)的原子波函数的总体。由于多普勒漂移，原子状态的有效谐振频率是不同的，因此可在上面分析第三组一个或多个光学脉冲105c”'以确定旋转速率Ω。可以对于布拉格干涉仪确定第一组一个或多个光学脉冲105c'、第二组一个或多个光学脉冲105c"和第三组一个或多个光学脉冲105c”'的特性，如上面对于拉曼干涉仪所讨论。
图1C示出了包括可移动主体112的系统110的示例，该可移动主体包括至少一个圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪(至少一个原子陀螺仪)100'。例如，可移动主体112可具有三个原子陀螺仪100以测量X轴、Y轴和Z轴中的每一者中的旋转速率。每个原子陀螺仪100可位于可移动物体之上或之中。
可移动主体112可为载具(例如，飞机、直升机、无人机、导弹、航天器、船舶、潜水艇或任何其他类型的载具)、机器人、人、衣服或任何其他类型的生物或无生命物体。
图2示出了圆形谐振器倏逝波捕集的原子陀螺仪的操作的示例性方法200。在某种程度上，图2所示的方法200在本文描述为在参考图1A和图1B的装置中实现，应当理解可以其他方式实现其他实施方案。为了便于解释，流程图的框以大致顺序的方式布置；然而，应当理解，该布置仅仅是示例性的，并且应当认识到，与这些方法(和该图所示的框)相关联的处理可按不同次序发生(例如，其中与这些框相关联的处理中的至少一些处理以并行方式和/或以事件驱动方式执行)。
在框220中，围绕圆形谐振器的圆周表面集中冷碱原子。在框222中，围绕圆形谐振器的圆周表面捕集碱原子和该碱原子的相应的原子波函数，以及从圆形谐振器的圆周表面移位碱原子和该碱原子的相应的原子波函数。
在框224中，将第一组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。第一组一个或多个光学脉冲可为布拉格脉冲或拉曼脉冲。第一组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的圆周表面产生第一倏逝场，该第一倏逝场将碱原子的原子波函数分裂成两个部分，其中一个部分具有第一状态，并且另一部分具有第二状态。
如果施加拉曼脉冲，则不同状态为不同电子状态，并且如果施加布拉格脉冲，则不同状态为不同运动状态。如果施加布拉格脉冲，则原子波函数的每个部分在与另一部分相反的方向上围绕圆形谐振器的圆周表面传播。
在框226中，允许原子波函数传播持续一时间段，因此围绕圆形谐振器的圆周表面传播至少一次。在框228中，将第二组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。第二组脉冲可为布拉格脉冲或拉曼脉冲。至少一个光学脉冲的第二组脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的圆周表面产生第二倏逝场，该第二倏逝场导致碱原子的原子波函数的两个状态具有取决于围绕圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的比率。
在框230中，将第三组一个或多个光学脉冲耦合到圆形谐振器。这些脉冲被设计成具有透射光或散射光，该透射光或散射光依赖于在第二组光学脉冲之后的原子的原子状态(运动状态或电子状态)。在框232中，测量第三组一个或多个光学脉冲的由圆形谐振器透射和/或散射的振幅和相位中的至少一者。
在框234中，基于由至少一个光学检测器测量的光学振幅和光学相位中的至少一者，确定与圆形谐振器的围绕中心轴线的旋转速率对应的原子波函数的两种状态之间的相移。在框236中，使用所确定的相移来确定围绕圆形谐振器的中心轴线的旋转速率。
如本申请中所用的相对位置的术语是基于平行于装置、层、晶圆或衬底的常规平面或工作表面的平面而定义的，无论取向如何。如本申请中所用的术语“水平”或“侧向”被定义为平行于装置、层、晶圆或衬底的常规平面或工作表面的平面，无论取向如何。术语“竖直”是指垂直于水平的方向。术语诸如“上”、“侧”(如在“侧壁”中)、“较高”、“较低”、“之上”、“顶部”和“下面”是相对于位于装置、层、晶圆或衬底的顶部表面上的常规平面或工作表面而定义的，无论取向如何。如本申请中所用的术语“共面的”被定义为与装置、层、晶圆或衬底的常规平面或工作表面在同一平面中的平面，无论取向如何。
示例性实施方案
实施例1包括一种原子陀螺仪，包括：原子阱，所述原子阱包括至少一个激光器；圆形谐振器，所述圆形谐振器位于所述原子阱内，所述圆形谐振器包括中心轴线和围绕所述中心轴线的圆周表面；碱原子，所述碱原子位于所述原子阱内并围绕所述圆形谐振器；其中所述原子阱被配置为通过所述圆形谐振器的所述圆周表面集中所述碱原子；至少一个光学波导，其中所述至少一个光学波导的至少一部分平行于所述圆周表面的一部分；第一光源，所述第一光源包括至少一个激光器，所述第一光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第一频率下生成第一连续波(CW)信号；第二光源，所述第二光源包括至少一个激光器，所述第二光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第二频率下生成第二CW信号；其中所述第一CW信号和所述第二CW信号被配置为围绕所述圆周表面捕集所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数，并且从所述圆周表面移位所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数；第三光源，所述第三光源包括至少一个激光器，所述第三光源光学耦合到所述至少一个光学波导的所述至少一者的第一端部并且被配置为依次生成第一组一个或多个光学脉冲、第二组光学脉冲和第三组一个或多个光学脉冲；其中所述第一组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第一倏逝场，所述第一倏逝场导致将所述碱原子的所述原子波函数分裂成两个部分；其中一个部分具有第一状态，并且另一部分具有第二状态；其中所述第二组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第二倏逝场，所述第二倏逝场导致所述碱原子的所述原子波函数的所述两个状态具有取决于围绕所述圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的比率；其中所述第三组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得透射光的振幅或相位或散射光的振幅取决于所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；至少一个光学检测器，其中所述至少一个光学检测器中的每个光学检测器被配置为以下操作中的至少一者：(a)耦合到至少一个光学波导的第二端部以及(b)通过所述圆形谐振器的一个或多个表面；和处理电路，所述处理电路耦合到所述至少一个光学检测器，所述处理电路被配置为：基于所述一组第三光学脉冲的由所述至少一个光学检测器测量的光学振幅和光学相位中的至少一者来确定所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；基于所确定的总体比率来确定在所述原子波函数的所述两个部分的所述状态之间的相移；以及基于所确定的相移来确定围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的所述旋转速率。
实施例2包括根据实施例1所述的原子陀螺仪，其中所述圆形谐振器为环形谐振器。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的原子陀螺仪，其中所述第三光源的输出部耦合到所述至少一个检测器。
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的原子陀螺仪，其中每个部分在与所述另一部分相反的方向上围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播。
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的原子陀螺仪，其中所述原子阱由磁光阱和光学偶极阱中的一者组成。
实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的原子陀螺仪，其中所述至少一个检测器包括振幅检测器。
实施例7包括根据实施例1至6中任一项所述的原子陀螺仪，其中所述第一组一个或多个光学脉冲、所述第二组光学脉冲和所述第三组一个或多个光学脉冲包括拉曼脉冲；并且其中所述第一状态和所述第二状态是所述碱原子的不同电子状态。
实施例8包括根据实施例1至7中任一项所述的原子陀螺仪，其中所述第一组、所述第二组和所述第三组中的至少一者的基频等于所述圆形谐振器的谐振频率。
实施例9包括一种方法，包括：围绕圆形谐振器的圆周表面冷凝冷碱原子；围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面捕集碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数，以及从所述圆形谐振器的所述圆周表面移位所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数；将第一组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第一组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面产生第一倏逝场，所述第一倏逝场将所述碱原子的所述原子波函数分裂成两个部分；其中一个部分具有第一状态，并且另一部分具有第二状态；允许所述原子波函数的某些部分围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播至少一次；将第二组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第二组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第二倏逝场，所述第二倏逝场导致所述碱原子的所述原子波函数的所述两个状态具有取决于围绕所述圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的比率；将第三组至少一个光学脉冲耦合到所述圆形谐振器；其中所述第三组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得透射光的振幅或相位或散射光的振幅取决于所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；测量所述第三组至少一个光学脉冲中的光学振幅和光学相位中的至少一者，所述光学振幅和光学相位已经由以下中的至少一者操作：由所述圆形谐振器透射和散射；基于由所述至少一个光学检测器测量的所述光学振幅和所述光学相位中的至少一者来确定围绕所述中心轴线与围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的旋转速率对应的所述原子波函数的所述两个部分之间的相移；以及使用所确定的相移来确定旋转速率。
实施例10包括根据实施例9所述的方法，其中所述圆形谐振器为环形谐振器。
实施例11包括根据实施例9至10中任一项所述的方法，其中每个部分在与所述另一部分相反的方向上围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播。
实施例12包括根据实施例9至11中任一项所述的方法，其中所述第一组一个或多个光学脉冲、所述第二组光学脉冲和所述第三组一个或多个光学脉冲包括拉曼脉冲；并且其中所述第一状态和所述第二状态是所述碱原子的不同电子状态。
实施例13包括一种系统，包括：可移动物体；原子陀螺仪，所述原子陀螺仪包括：原子阱，所述原子阱包括至少一个激光器；圆形谐振器，所述圆形谐振器位于所述原子阱内，所述圆形谐振器包括中心轴线和围绕所述中心轴线的圆周表面；碱原子，所述碱原子位于所述原子阱内并围绕所述圆形谐振器；其中所述原子阱被配置为通过所述圆形谐振器的所述圆周表面集中所述碱原子；至少一个光学波导，其中所述至少一个光学波导的至少一部分平行于所述圆周表面的一部分；第一光源，所述第一光源包括至少一个激光器，所述第一光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第一频率下生成第一连续波(CW)信号；第二光源，所述第二光源包括至少一个激光器，所述第二光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第二频率下生成第二CW信号；其中所述第一CW信号和所述第二CW信号被配置为围绕所述圆周表面捕集所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数，并且从所述圆周表面移位所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数；第三光源，所述第三光源包括至少一个激光器，所述第三光源光学耦合到所述至少一个光学波导的所述至少一者的第一端部并且被配置为依次生成第一组一个或多个光学脉冲、第二组光学脉冲和第三组一个或多个光学脉冲；其中所述第一组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第一倏逝场，所述第一倏逝场导致将所述碱原子的所述原子波函数分裂成两个部分；其中一个部分具有第一状态，并且另一部分具有第二状态；其中所述第二组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕圆形谐振器的所述圆周表面产生第二倏逝场，所述第二倏逝场导致所述碱原子的所述原子波函数的所述两个状态具有取决于围绕所述圆形谐振器的中心轴线的旋转速率的比率；其中所述第三组至少一个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得透射光的振幅或相位或散射光的振幅取决于所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；至少一个光学检测器，其中所述至少一个光学检测器中的每个光学检测器被配置为以下操作中的至少一者：(a)耦合到至少一个光学波导的第二端部以及(b)通过所述圆形谐振器的一个或多个表面；和处理电路，所述处理电路耦合到所述至少一个光学检测器，所述处理电路被配置为：基于所述一组第三光学脉冲的由所述至少一个光学检测器测量的光学振幅和光学相位中的至少一者来确定所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；基于所确定的总体比率来确定在所述原子波函数的所述两个部分的所述状态之间的相移；以及基于所确定的相移来确定围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的所述旋转速率。
实施例14包括根据实施例13所述的系统，其中所述圆形谐振器为环形谐振器。
实施例15包括根据实施例13至14中任一项所述的系统，其中所述第三光源的输出部耦合到所述至少一个检测器。
实施例16包括根据实施例13至15中任一项所述的系统，其中每个部分在与所述另一部分相反的方向上围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播。
实施例17包括根据实施例13所述的原子陀螺仪，其中所述原子阱由磁光阱和光学偶极阱中的一者组成。
实施例18包括根据实施例13至17中任一项所述的系统，其中所述至少一个检测器包括振幅检测器。
实施例19包括根据实施例13至18中任一项所述的系统，其中所述第一组一个或多个光学脉冲、所述第二组光学脉冲和所述第三组一个或多个光学脉冲包括拉曼脉冲；并且其中所述第一状态和所述第二状态是所述碱原子的不同电子状态。
实施例20包括根据实施例13至19中任一项所述的系统，其中所述第一组、所述第二组和所述第三组中的至少一者的基频等于所述圆形谐振器的谐振频率。
已经描述了由以下权利要求书限定的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离受权利要求书保护的发明的实质和范围的情况下，可对所描述的实施例进行各种修改。因此，显而易见的是，本发明仅受权利要求书以及其等同物所限制。

Claims (3)

1.一种原子陀螺仪(100)，包括：
原子阱(102)，所述原子阱包括至少一个激光器；
圆形谐振器(101)，所述圆形谐振器位于所述原子阱内，所述圆形谐振器包括中心轴线(101b)和围绕所述中心轴线的圆周表面；
碱原子(103)，所述碱原子位于所述原子阱内并围绕所述圆形谐振器；
其中所述原子阱被配置为通过所述圆形谐振器的所述圆周表面集中所述碱原子；
至少一个光学波导(104)，其中所述至少一个光学波导的至少一部分平行于所述圆周表面的一部分；
第一光源(105a)，所述第一光源包括至少一个激光器，所述第一光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第一频率下生成第一连续波信号；
第二光源(105b)，所述第二光源包括至少一个激光器，所述第二光源光学耦合到所述至少一个光学波导并且被配置为在第二频率下生成第二连续波信号；
其中所述第一连续波信号和所述第二连续波信号被配置为围绕所述圆周表面捕集所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数，并且从所述圆周表面移位所述碱原子和所述碱原子的相应的原子波函数；
第三光源(105c)，所述第三光源包括至少一个激光器，所述第三光源光学耦合到所述至少一个光学波导的第一端部并且被配置为依次生成第一组一个或多个光学脉冲、第二组一个或多个光学脉冲和第三组一个或多个光学脉冲；
其中所述第一组一个或多个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面产生第一倏逝场，所述第一倏逝场导致将所述碱原子的原子波函数分裂成两个部分；
其中所述原子波函数的一个部分具有第一状态，并且所述原子波函数的另一个部分具有第二状态；
其中所述第二组一个或多个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面产生第二倏逝场，所述第二倏逝场导致所述碱原子的所述原子波函数的两个状态具有取决于围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的旋转速率的比率；
其中所述第三组一个或多个光学脉冲具有振幅、相位和频率，使得透射光的振幅或相位或散射光的振幅取决于所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；
至少一个光学检测器，其中所述至少一个光学检测器中的每个光学检测器被配置为以下操作中的至少一者：(a)耦合到所述至少一个光学波导的第二端部以及(b)通过所述圆形谐振器的一个或多个表面；和
处理电路，所述处理电路耦合到所述至少一个光学检测器，所述处理电路被配置为：
基于所述第三组一个或多个光学脉冲的由所述至少一个光学检测器测量的光学振幅和光学相位中的至少一者来确定所述碱原子的所述原子波函数的所述两个部分的总体比率；
基于所确定的总体比率来确定在所述原子波函数的所述两个部分的状态之间的相移；以及
基于所确定的相移来确定围绕所述圆形谐振器的所述中心轴线的所述旋转速率。
2.根据权利要求1所述的原子陀螺仪，其中所述原子波函数的每个部分在彼此相反的方向上围绕所述圆形谐振器的所述圆周表面传播。
3.根据权利要求1所述的原子陀螺仪，其中所述第一组一个或多个光学脉冲、所述第二组一个或多个光学脉冲和所述第三组一个或多个光学脉冲包括拉曼脉冲；并且
其中所述第一状态和所述第二状态是所述碱原子的不同电子状态。
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