CN111751894A - 基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪，在冷原子和精密测量实验中应用。本发明的目的是为了解决现有技术存在的体积和测量精度无法兼顾的问题，提供一种基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪。该装置包括包括：冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源、光晶格光光源、频谱仪、真空腔、主动隔振平台和微波信号发生器；本发明的装置能够在很小体积内实现高精度重力测量，同时新的晶格加载方法，能够实现加载速度快，原子损失小的效果，有利于提高重力测量精度。

Description

基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪
技术领域
本发明涉及一种基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪，在冷原子和精密测量实验中应用。
背景技术
重力加速度的测量方法中除了传统的单摆重力仪、石英弹簧重力仪和光学重力仪之外，基于原子干涉原理的重力加速度测量系统是该研究领域内的重点研究方向。原子系统重力仪，其核心是原子的干涉。利用拉曼光脉冲序列在重力方向上对原子动量态进行分离、反转、复合，通过测量原子在不同动量态上的相对布居数获得重力对原子相位的影响，从而反推出重力加速度。利用原子干涉原理可以实现重力加速度的超高精度测量，使其成为量子精密测量领域最具潜力的研究方向之一。传统的原子干涉原理重力仪大部分采用的是喷泉式或下落式的方法，为了获得更长的干涉时间则需要更长的干涉距离，限制了重力仪的小型化。
传统的原子干涉原理重力仪采用的是冷原子，温度低对应的干涉时间可以更长，得到的测量精度也跟高，本专利采用超冷原子，可以进一步降低温度，提高测量精度。同时不同于传统的绝热\非绝热装载光晶格方法，本专利还提出了一种非绝热加载结合相位移动的移动光晶格装载方法，减少光晶格加载过程中原子数损失，提高测量精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的体积和测量精度无法兼顾的问题，提供一种基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪。该装置能够在很小体积内实现高精度重力测量，同时新的晶格加载方法，能够实现加载速度快，原子损失小的效果，有利于提高重力测量精度；
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪，包括：冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源、光晶格光光源、频谱仪、真空腔、主动隔振平台和微波信号发生器；
真空腔置于主动隔振平台内；冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源和光晶格光光源分别用于产生冷却光、光阱光、拉曼光和光晶格光；
首先利用冷却激光对原子进行冷却初步得到冷原子，再通过光阱光光源蒸发冷却得到超冷原子。然后对所述超冷原子团进行速度选择并制备初态。再进行拉姆塞博德干涉仪过程所述拉姆塞博德干涉仪由四个π/2脉冲构成，在前两个π/2脉冲和后两个π/2脉冲之间，为了可以减少下落距离，需要通过光晶格光形成布拉格振荡过程。最后探测得到原子所处的末态，根据在态上的分布得到相位信息，最后根据态分布推导重力信息。此处的干涉仪脉冲是由拉曼激光光源发射的拉曼脉冲，它是由两束对射的激光构成，所述两束激光的频率差在两个能级的能级差附近，通过合理的设置激光脉冲长度可以构成π/2脉冲。
在这个过程中，为了在不增加下落距离的提高测量灵敏度，在两对π/2脉冲之间，原子会处在一个激光的驻波场的作用当中，原子从其中一束光中吸收一个光子然后释放一个光子到另一束光中，这样可以使原子的动量产生±2hk的变化。在重力的作用下，原子会下落且速度增加，当原子的速度达到反冲速度时，会发生一个绝热的转换过程，使原子的速度减少两倍的反冲速度，则形成布洛赫振荡过程，原子的速度会在-vrec和vrec之间进行转换，通过这样的振荡过程，使原子在毫米尺度的光晶格中，就可以实现下落几十厘米才能达到的干涉时间，最后通过探测原子在不同能态的分布，并通过相位信息得到重力加速度的值。
所述光晶格光光源采用了非绝热加载结合相位移动的移动光晶格装载方法，能够减少移动光晶格装载过程中原子损失的情况，使布洛赫振荡次数更多，有助于提高重力测量精度。
所述移动光晶格相位移动的距离由如下方法得到：
质量为m的原子处于光晶格中，所述光晶格是通过两束对射的波长为λ的激光构成的，波矢k＝2π/λ。光晶格产生一个周期为λ/2的势场，峰峰值V0由激光的强度和频率所决定。光晶格的阱深以反冲能量Er＝h2k2/2m为单位。具体光晶格实验过程中，原子刚开始制备在准动量为0的初始布洛赫态上，此时加速光晶格，相当于有一个力的作用，准动量会随着时间而增加，形成布洛赫振荡。在一个振荡过程中原子继续保持的概率为
Figure BDA0002588813880000021
则临界力为
Figure BDA0002588813880000022
因此这一过程会造成原子数的大量损失，造成重力测量灵敏度的下降，本发明中采用非绝热加载移动光晶格，在此同时移动光晶格激光的相位，实际需要晶格移动的距离可以根据公式来计算
Figure BDA0002588813880000023
则当光晶格最低点在加载移动光晶格的时候产生的移动可以通过给光晶格光施加相移来补偿，使光晶格的最低点可以基本保持不动，从而降低原子损失，实现重力加速度灵敏度的提高。
有益效果
1、超冷原子，温度更低，干涉操作时间更长，有助于提高重力测量精度；
2、布洛赫振荡方法，反复振荡达到长干涉时间，空间距离不增加，减少所需实际体积，有益于小型化；
3、非绝热加载结合相位移动的移动光晶格装载方法，加载速度快，原子损失少，增加布洛赫振荡次数，得到更长的干涉时间，有利于提高重力测量精度。
4、本专利中提出的基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪，通过移动光晶格实现布洛赫振荡，使原子干涉的距离大大缩短，可以有更多次的振荡，在小型化原子干涉重力仪中有着很好的前景。
附图说明
图1是装置组成图；
图2是实验流程图；
图3是拉姆塞博德结合布洛赫振荡时序过程示意图；
图4是布洛赫振荡示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
装置组成图如图1所示，其中冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源、光晶格光光源分别用于产生冷却光、光阱光、拉曼光和光晶格光，用于冷却过程，光阱蒸发冷却过程、拉曼干涉过程和布洛赫振荡过程。其中拉曼光锁频还需要频谱仪和微波信号发生器。整体结构包括用于原子俘获和探测过程的真空腔。最下边是主动隔振平台用于隔振。
如图2所示是实验的流程图，首先利用冷却光进行原子的冷却过程，包括磁光阱和偏振梯度冷却，初步得到冷原子，再通过光阱蒸发冷却得到超冷原子。然后对原子团中的原子进行速度选择并制备初态。再进行结合拉姆塞博德干涉仪和布洛赫振荡的过程，这个过程的具体示意图如图3所示，其中拉姆塞博德干涉仪由四个π/2脉冲构成，在前两个π/2脉冲和后两个π/2脉冲之间，为了可以减少下落距离，需要通过光晶格光形成布拉格振荡过程，探测得到原子所处的末态，根据在态上的分布得到相位信息，最后根据态分布推导重力信息。
图4所示的是布洛赫振荡的过程，一个质量为m的原子处于光晶格中，这里的光晶格是通过两束对射的波长为λ的激光构成的，波矢k＝2π/λ。光晶格可以产生一个周期为λ/2的势场，峰峰值V0由激光的强度和频率所决定。光晶格的阱深一般以反冲能量Er＝h2k2/2m为单位。具体光晶格实验过程中，原子刚开始制备在准动量为0的初始布洛赫态上，这时候加速光晶格，相当于有一个力的作用，这时候准动量会随着时间而增加，形成布洛赫振荡。在一个振荡过程中原子可以继续保持的概率为
Figure BDA0002588813880000041
这里的临界力
Figure BDA0002588813880000042
因此这一过程会造成原子数的大量损失，造成重力测量灵敏度的下降，本发明中采用非绝热加载移动光晶格，在此同时移动光晶格激光的相位，实际需要晶格移动的距离可以根据公式来计算
Figure BDA0002588813880000043
对应于不同的阱深和振荡时间可以算出实际所需的相位移动，实际光晶格激光移动的距离一般在0.1倍的波长附近，可以通过移动激光相位实现。
这样当光晶格最低点在加载移动光晶格的时候产生的移动可以通过给光晶格光施加相移来补偿，使光晶格的最低点可以基本保持不动，从而降低原子损失，实现重力加速度灵敏度的提高。
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 (3)

1.基于布洛赫振荡技术的小型化超冷原子干涉重力仪，其特征在于：包括：冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源、光晶格光光源、频谱仪、真空腔、主动隔振平台和微波信号发生器；
真空腔置于主动隔振平台内；冷却激光光源、光阱光光源、拉曼激光光源和光晶格光光源分别用于产生冷却光、光阱光、拉曼光和光晶格光；
首先利用冷却激光对原子进行冷却初步得到冷原子，再通过光阱光光源蒸发冷却得到超冷原子；然后对所述超冷原子团进行速度选择并制备初态；再进行拉姆塞博德干涉仪过程所述拉姆塞博德干涉仪由四个π/2脉冲构成，在前两个π/2脉冲和后两个π/2脉冲之间，为了可以减少下落距离，需要通过光晶格光形成布拉格振荡过程；最后探测得到原子所处的末态，根据在态上的分布得到相位信息，最后根据态分布推导重力信息；此处的干涉仪脉冲是由拉曼激光光源发射的拉曼脉冲，它是由两束对射的激光构成，所述两束激光的频率差在两个能级的能级差附近，通过合理的设置激光脉冲长度可以构成π/2脉冲；
在这个过程中，为了在不增加下落距离的提高测量灵敏度，在两对π/2脉冲之间，原子会处在一个激光的驻波场的作用当中，原子从其中一束光中吸收一个光子然后释放一个光子到另一束光中，这使得原子的动量产生±2hk的变化；在重力的作用下，原子会下落且速度增加，当原子的速度达到反冲速度时，会发生一个绝热的转换过程，使原子的速度减少两倍的反冲速度，则形成布洛赫振荡过程，原子的速度会在-vrec和vrec之间进行转换，通过这样的振荡过程，使原子在毫米尺度的光晶格中，就可以实现下落几十厘米才能达到的干涉时间，最后通过探测原子在不同能态的分布，并通过相位信息得到重力加速度的值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光晶格光光源采用了非绝热加载结合相位移动的移动光晶格装载方法，能够减少移动光晶格装载过程中原子损失的情况，使布洛赫振荡次数更多，有助于提高重力测量精度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述移动光晶格相位移动的距离由如下方法得到：
质量为m的原子处于光晶格中，所述光晶格是通过两束对射的波长为λ的激光构成的，波矢k＝2π/λ；光晶格产生一个周期为λ/2的势场，峰峰值V0由激光的强度和频率所决定；光晶格的阱深以反冲能量Er＝h2k2/2m为单位；具体光晶格实验过程中，原子刚开始制备在准动量为0的初始布洛赫态上，此时加速光晶格，相当于有一个力的作用，准动量会随着时间而增加，形成布洛赫振荡；在一个振荡过程中原子继续保持的概率为
Figure FDA0002588813870000011
则临界力为
Figure FDA0002588813870000012
因此这一过程会造成原子数的大量损失，造成重力测量灵敏度的下降，本发明中采用非绝热加载移动光晶格，在此同时移动光晶格激光的相位，实际需要晶格移动的距离可以根据公式来计算
Figure FDA0002588813870000021
则当光晶格最低点在加载移动光晶格的时候产生的移动可以通过给光晶格光施加相移来补偿，使光晶格的最低点可以基本保持不动，从而降低原子损失，实现重力加速度灵敏度的提高。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112925035A (zh) * 2021-03-16 2021-06-08 哈尔滨工业大学 一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案
CN115469369A (zh) * 2022-07-08 2022-12-13 哈尔滨工业大学 一种冷原子拉曼反射镜安装误差角矫正方法
CN116400427A (zh) * 2023-06-05 2023-07-07 浙江省计量科学研究院 高精度冷原子精密测量设备及其测量控制系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005076042A1 (en) * 2004-02-04 2005-08-18 Universita' Degli Studi Di Firenze Apparatus and method for the measurement of the acceleration of gravity with fermionic atoms
CN106199748A (zh) * 2016-07-08 2016-12-07 中国计量科学研究院 冷原子干涉重力仪及克服科里奥利力效应的方法
CN109814165A (zh) * 2019-02-25 2019-05-28 浙江大学 一种光力冷却小型化高精度光学重力仪
CN110596785A (zh) * 2019-10-23 2019-12-20 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种适用于原子干涉重力仪的便携式振动噪声修正补偿方法及装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005076042A1 (en) * 2004-02-04 2005-08-18 Universita' Degli Studi Di Firenze Apparatus and method for the measurement of the acceleration of gravity with fermionic atoms
CN106199748A (zh) * 2016-07-08 2016-12-07 中国计量科学研究院 冷原子干涉重力仪及克服科里奥利力效应的方法
CN109814165A (zh) * 2019-02-25 2019-05-28 浙江大学 一种光力冷却小型化高精度光学重力仪
CN110596785A (zh) * 2019-10-23 2019-12-20 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种适用于原子干涉重力仪的便携式振动噪声修正补偿方法及装置

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
REN´EE CHARRI`ERE ET AL.: "Local gravity measurement with the combination of atom interferometry and Bloch oscillations", 《PHYSICAL REVIEW A》 *
SHUYANG CAO ET AL.: "Extraction and identification of noise patterns for ultracold atoms in an optical lattice", 《OPTICS EXPRESS》 *
ZHONGKAI WANG ET AL.: "Observation of quantum dynamical oscillations of ultracold atoms in the F and D bands of an optical lattice", 《PHYSICAL REVIEW A》 *
成中豪 等: "激光相位对空间构型光晶格中超冷原子干涉对比度的影响", 《光学学报》 *
贡昊 等: "面向重力加速度测量领域的原子干涉操控方法综述", 《测控技术》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112925035A (zh) * 2021-03-16 2021-06-08 哈尔滨工业大学 一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案
CN112925035B (zh) * 2021-03-16 2021-10-26 哈尔滨工业大学 一种无减振平台的动态冷原子重力仪方案
CN115469369A (zh) * 2022-07-08 2022-12-13 哈尔滨工业大学 一种冷原子拉曼反射镜安装误差角矫正方法
CN116400427A (zh) * 2023-06-05 2023-07-07 浙江省计量科学研究院 高精度冷原子精密测量设备及其测量控制系统
CN116400427B (zh) * 2023-06-05 2023-09-01 浙江省计量科学研究院 高精度冷原子精密测量设备及其测量控制系统

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