CN112485822B - 原子干涉仪中原子团轨迹的测量方法及测量装置 - Google Patents

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CN112485822B CN202011260575.9A CN202011260575A CN112485822B CN 112485822 B CN112485822 B CN 112485822B CN 202011260575 A CN202011260575 A CN 202011260575A CN 112485822 B CN112485822 B CN 112485822B
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Abstract

本发明公开了一种原子干涉仪中原子团轨迹测量方法，该方法能够测量原子团三维方向上的位置，可以提高轨迹测量精度，测量过程中在分离式三脉冲原子干涉仪的基础上不增加任何额外器件，操作方便，能够简化测量流程。本发明还公布了一种原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，包括真空腔体和磁场线圈等组成的物理系统、拉曼激光和冷却激光等组成的光学系统，以及光电探测器等组成的电路系统。本发明可以用于原子惯性测量领域，提高原子干涉仪的性能。

Description

原子干涉仪中原子团轨迹的测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及冷原子干涉技术领域，更具体涉及原子干涉仪中原子团轨迹的测量方法，同时还涉及到原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置。适用于原子干涉仪量子传感领域，同时也可用于改善基于原子干涉仪的量子传感器件的测量精度。
背景技术
双环路原子干涉仪或双组分差分原子干涉仪中，为了得到共模效果，被操纵的两团碱金属原子团的轨迹要重合，这样可以消除掉共有的噪声影响，比如杂散磁场、振动、波前等。因此对原子干涉仪中原子团轨迹的精密测量和校准是一项对原子干涉仪共模效果改进极其重要的技术手段之一。在重力环境下原子团轨迹是一条抛物线，由初始位置、上抛角度和上抛速度决定。初始位置由囚禁原子的磁光阱(MOT)决定，上抛角度和上抛速度由MOT冷却光的角度和失谐决定。专利申请号为201510482097.9的发明专利中报道直接用电荷耦合器件(CCD)相机给飞行中的原子团连续拍三张照片，从而定出原子团轨迹。这种方法需要调整CCD的曝光时刻来捕捉原子团通过三个探测区域的时刻，这种方法受限于CCD曝光时刻的准确度。而且这种方法只能测量原子团在二维方向的位置，不能给出垂直于CCD平面的位置。在喷泉原子钟领域，文献[Metrologia，49，4(2012)]报道在倾斜的偏置磁场(C场)中，原子能级跃迁谱有位置依赖对称性，可以根据原子基态能级间跃迁概率测量出原子团位置。实验上是通过人工的倾斜喷泉原子钟的谐振腔从而达到倾斜偏置磁场的目的，这种操作增加了实验的难度。在实验上操作可靠性差。严重影响到原子干涉仪测量结果的精度。
发明内容
本发明的目的在于针对目前双环路原子干涉仪或双组分原子干涉仪中原子团轨迹测量精度差的问题，提供了一种原子团轨迹的测量方法，并介绍了一种原子团轨迹测量装置。本发明的创新点是采用梯度磁场，在梯度磁场中，利用磁场大小与位置依赖关系测量出位置。使用同向拉曼激光或者微波使原子在基态超精细能级间跃迁，扫描跃迁谱，得到0-0跃迁与1-1跃迁间的频率间隔，算出磁场大小，根据磁场梯度，得到原子团位置。因为原子团的轨迹是抛物线，只需要三个点的位置就可以得到原子团的轨迹。本发明能够提高原子干涉仪中原子团轨迹测量精度，可以应用于原子惯性测量等领域。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，包含原子干涉仪物理系统，所述的原子干涉仪物理系统包含真空腔以及依次设置在真空腔内的原子冷却腔、原子干涉腔和原子探测腔，
原子冷却腔和原子干涉腔相互贯通，原子干涉腔和原子探测腔相互贯通，
真空腔内设置有碱金属释放剂，
反向亥姆霍兹线圈在原子冷却腔内形成磁光阱所需的磁场，
磁光阱冷却激光器出射的磁光阱冷却激光在原子冷却腔内形成冷却区域，
拉曼激光器出射的激光经过准直扩束器进行准直扩束成平行光，再经过二分之一波片和偏振分光棱镜成为线偏振光，然后通过四分之一波片，成为圆偏振光作为同向拉曼激光，
探测激光入射原子探测腔，光电探测器探测原子探测腔内碱金属原子受激辐射的荧光信号，
真空腔外部设置有x方向梯度磁场线圈、y方向梯度磁场线圈和z方向梯度磁场线圈，
x方向为平行于水平面且沿真空腔轴向方向，y方向为平行于水平面且垂直于x方向，z方向为垂直于水平面的方向。
如上所述的同向拉曼激光沿z方向贯穿原子干涉腔。
一种原子干涉仪中原子轨迹的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、打开磁光阱冷却激光器、拉曼激光器和反向亥姆霍兹线圈电流预热至少半个小时，加热碱金属释放剂使碱金属原子扩散到真空腔的原子冷却腔中；
步骤2、打开z方向梯度磁场线圈的电流，并调节电流大小和方向，产生z方向的磁场Bz，本步骤中z方向的磁场Bz包括两部分，一部分为z轴方向偏置磁场B0，另一部分为z轴方向的梯度磁场，关闭x方向梯度磁场线圈和y方向梯度磁场线圈的电流；
Bz＝γz×atomz+B0
其中，atomz为原子团在z方向的坐标值，γz为z轴方向的磁场梯度大小；
步骤3、利用反向亥姆霍兹线圈在真空腔的端部的原子冷却腔形成磁光阱所需磁场；利用磁光阱冷却激光器发射的磁光阱冷却激光在真空腔的端部的原子冷却腔内形成冷却区域并对冷却区域内的碱金属原子团进行冷却；
步骤4、通过改变真空腔的端部的磁光阱冷却激光的频率，将碱金属原子团沿抛物线轨迹抛射；
步骤5、碱金属原子团在真空腔的端部的原子冷却腔内沿抛物线轨迹经过原子干涉腔的同向拉曼激光后，回落到真空腔对端的原子探测腔；
步骤6、回落到真空腔的原子探测腔的碱金属原子团在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器探测碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强；
步骤7、改变同向拉曼激光的频率并重复步骤3-6获得碱金属原子团的同向拉曼跃迁谱；
步骤8、根据碱金属原子团的同向拉曼跃迁谱，算出施加包括z轴方向偏置磁场B0和z轴方向的梯度磁场的z方向的磁场Bz对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνz，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团所在位置的磁场强度B'z＝δνz/k(1)，根据z轴方向的磁场梯度大小γz，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团的z方向位置atomz；
atomz＝(B'z-B0)/γz
步骤9、调节z方向梯度磁场线圈电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，不产生z轴方向的梯度磁场；
步骤10、打开y方向梯度磁场线圈的电流，并调节电流大小和方向，产生y方向的梯度磁场By；
By＝βy×atomy
其中，βy为y轴方向的磁场梯度大小，atomy为原子团在y方向的坐标值；
步骤11、重复步骤7；
步骤12、根据步骤11获得的碱金属原子团的同向拉曼跃迁谱，算出施加y方向的梯度磁场By和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνy，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团所在位置的磁场强度B'y＝δνy/k(1)，根据y轴方向的磁场梯度大小βy，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团的y方向位置atomy；
Figure BDA0002774504580000041
步骤13、关闭y方向梯度磁场线圈电流；
步骤14、调节z方向梯度磁场线圈电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，打开x方向梯度磁场线圈并调节x方向梯度磁场线圈的电流大小和方向，产生x方向的梯度磁场Bx；
Bx＝αx×atomx
其中，αx为x轴方向的磁场梯度大小，atomx为原子团在x方向的坐标值；
步骤15、重复步骤7；
步骤16、根据碱金属原子团的同向拉曼跃迁谱，算出施加x方向的梯度磁场Bx和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνx，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团所在位置的磁场强度B'x＝δνx/k(1)，根据x轴方向的磁场梯度大小βx，得到碱金属原子团与同向拉曼激光作用时碱金属原子团的x方向位置atomx；
Figure BDA0002774504580000042
步骤17、通过改变同向拉曼激光的出射时刻，不同拉曼激光出射时刻下重复步骤2-16，得到自真空腔的端部的原子冷却腔抛射的碱金属原子团在三个不同位置的坐标，拟合抛物线，得到原子团的轨迹。
一种原子干涉仪中原子轨迹的测量方法，
在碱金属原子团沿抛物线轨迹抛射前，真空腔两端为原子冷却腔，碱金属原子团沿抛物线轨迹抛射后，真空腔两端为原子探测腔，
在步骤3中，反向亥姆霍兹线圈在真空腔的两端均形成磁光阱所需磁场，利用磁光阱冷却激光器发射的磁光阱冷却激光在真空腔两端形成冷却区域并对真空腔两端的冷却区域内的碱金属原子团进行冷却；
在步骤4中，通过改变真空腔的两端的磁光阱冷却激光的频率，将真空腔两端的碱金属原子团沿抛物线轨迹相对抛射；
在步骤5中，碱金属原子团在真空腔的端部的原子冷却腔内沿抛物线轨迹经过原子干涉腔的同向拉曼激光后，回落到真空腔对端的原子探测腔；
在步骤6中，沿抛物线轨迹回落到真空腔对端的碱金属原子团在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器探测碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强；
在步骤17中，测得的是真空腔一端的碱金属原子团的对应抛射轨迹的三个不同位置的坐标，以及真空腔另一端的碱金属原子团的抛射轨迹的三个不同位置的坐标。
本发明与现有技术相比，有以下有益效果：
本发明能给出原子团在三维方向上的位置；
本发明利用磁场中原子的塞曼效应，相比CCD拍照的方法，利用原子特性测量出来的原子团位置精度更高。可以精确原子团的位置到μm量级。本发明尤其适用于双环路原子干涉仪和双组份原子干涉仪，双环路原子干涉仪和双组份原子干涉仪关心两团原子团的重合程度，测量的是差分位置(相对位置)，利用本发明，只需给出原子团所在区域的磁场环境即可，无需构建一个精准的梯度磁场。只需比较这两团原子在相同时刻的所在位置的磁场是否相同；
本发明实现了原子团轨迹的无损测量，基态超精细能级间的拉曼跃迁或微波跃迁的单光子失谐很大，原子团在发生基态超精细能级间的拉曼跃迁或微波跃迁时，原子团轨迹不会发生改变。共振探测的方法则会改变原子团的轨迹。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为同向拉曼跃迁谱；
图3为不同拉曼激光作用时刻的原子团位置及拟合得到的轨迹。
图中：1-准直扩束器；2-同向拉曼激光；3-拉曼激光反射镜；4-二分之一波片；5-偏振分光棱镜；6-四分之一波片；7-真空腔；8-x方向梯度磁场线圈；9-y方向梯度磁场线圈；10-z方向梯度磁场线圈；11-碱金属原子团；12-抛物线轨迹；13-磁光阱冷却激光；14-光电探测器；701-原子冷却腔；702-原子干涉腔；703-原子探测腔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1，一种原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，包含原子干涉仪物理系统、同向拉曼激光2和冷却激光13等组成的光学系统，光电探测器等组成的电路系统。
所述的原子干涉仪物理系统包含真空腔7以及依次设置在真空腔7内的原子冷却腔701、原子干涉腔702和原子探测腔703。
原子冷却腔701和原子干涉腔702相互贯通，原子干涉腔702和原子探测腔703相互贯通。
真空腔7内设置有碱金属释放剂。
通过反向亥姆霍兹线圈在原子冷却腔701内形成磁光阱所需的磁场；通过磁光阱冷却激光器出射的三对正交的冷却激光13在原子冷却腔701内形成冷却区域。
通过改变磁光阱冷却激光器出射的冷却激光13的频率，利用移动光学黏胶的方法将原子冷却腔701内的冷却区域的碱金属原子团11沿抛物线轨迹12抛射。
拉曼激光器发出的激光经过准直扩束器1进行准直扩束成平行光，经过二分之一波片4和偏振分光棱镜5成为线偏振光，然后通过四分之一波片6，成为圆偏振光而作为同向拉曼激光2。同向拉曼激光2沿竖直方向(z方向)贯穿原子干涉腔702，与碱金属原子团11发生相互作用，使碱金属原子团11发生同向拉曼跃迁，从原子基态超精细能级的下能级跃迁到原子基态超精细能级的上能级。另外本发明也可以用微波实现原子在基态超精细能级间的跃迁，不局限于拉曼激光。
完成同向拉曼跃迁的碱金属原子团11进入原子探测腔703。碱金属原子团11在两束对射探测激光光束照射后产生荧光信号，利用光电探测器14探测碱金属原子受激辐射的荧光信号。
反向亥姆霍兹线圈、x方向梯度磁场线圈8、y方向梯度磁场线圈9和z方向梯度磁场线圈10均利用金属导线绕成，通过改变通电电流产生不同分布的磁场。x方向为平行于水平面且沿真空腔7轴向方向，y方向为平行于水平面且垂直于x方向，z方向为垂直于水平面的方向。x方向梯度磁场线圈8、y方向梯度磁场线圈9和z方向梯度磁场线圈10是设置在整个真空腔7外部。
光电探测器14是一种通用的荧光探测器，包括了荧光收集系统，光电传感器及其电路驱动。
实施例2：
一种原子干涉仪中原子团轨迹的测量方法，利用实施例1所述的一种原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，包含以下步骤：
步骤1、打开磁光阱冷却激光器、拉曼激光器和反向亥姆霍兹线圈电流预热至少半个小时。加热碱金属释放剂使碱金属原子扩散到真空腔7的原子冷却腔701中；
步骤2、打开z方向梯度磁场线圈10的电流，并调节电流大小和方向，产生z方向的磁场Bz，本步骤中z方向的磁场Bz包括两部分，一部分为z轴方向偏置磁场B0，另一部分为z轴方向的梯度磁场，关闭x方向梯度磁场线圈8和y方向梯度磁场线圈9的电流；
Bz＝γz×atomz+B0 (1)
其中，z轴方向偏置磁场B0用来产生拉曼跃迁的量子化轴，atomz为原子团在z方向的坐标值，γz为z轴方向的磁场梯度大小；
步骤3、利用反向亥姆霍兹线圈在真空腔7的端部的原子冷却腔701形成磁光阱所需磁场；利用磁光阱冷却激光器发射的冷却激光13在真空腔7的端部的原子冷却腔701内形成冷却区域并对冷却区域内的碱金属原子团11进行冷却；
步骤4、通过改变真空腔7的端部的磁光阱冷却激光13的频率，将碱金属原子团11沿抛物线轨迹12抛射；
步骤5、碱金属原子团11在真空腔7的端部的原子冷却腔701内沿抛物线轨迹12经过原子干涉腔702的同向拉曼激光2后，回落到真空腔7对端的原子探测腔703；
步骤6、回落到真空腔7的原子探测腔703的碱金属原子团11在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器14探测碱金属原子团11受激辐射产生荧光信号的光强；
步骤7、改变同向拉曼激光2的频率并重复步骤3-6获得碱金属原子团11的同向拉曼跃迁谱，典型的同向拉曼跃迁谱如图2所示；
步骤8、根据碱金属原子团11的同向拉曼跃迁谱，算出施加包括z轴方向偏置磁场B0和z轴方向的梯度磁场的z方向的磁场Bz对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνz，依照一阶塞曼系数k(1)(原子能级会在外磁场中发生移动，这种现象叫做塞曼效应。移动的频率大小与外磁场大小的比值定义为一阶塞曼系数)，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11所在位置的磁场强度B'z＝δνz/k(1)，以87Rb原子为例，k(1)＝1.4MHz/Gass，根据z轴方向的磁场梯度大小γz，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11的z方向位置atomz；
atomz＝(B'z-B0)/γz(2)
步骤9、调节z方向梯度磁场线圈10电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，不产生z轴方向的梯度磁场；
步骤10、打开y方向梯度磁场线圈9的电流，并调节电流大小和方向，产生y方向的梯度磁场By；
By＝βy×atomy (3)
其中，βy为y轴方向的磁场梯度大小，atomy为原子团在y方向的坐标值；
步骤11、重复步骤7；
步骤12、根据步骤11获得的碱金属原子团11的同向拉曼跃迁谱，算出施加y方向的梯度磁场By和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνy，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11所在位置的磁场强度B'y＝δνy/k(1)，根据y轴方向的磁场梯度大小βy，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11的y方向位置atomy；
Figure BDA0002774504580000091
步骤13、关闭y方向梯度磁场线圈9电流；
步骤14、调节z方向梯度磁场线圈10电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，打开x方向梯度磁场线圈8并调节x方向梯度磁场线圈8的电流大小和方向，产生x方向的梯度磁场Bx；
Bx＝αx×atomx (5)
其中，αx为x轴方向的磁场梯度大小，atomx为原子团在x方向的坐标值；
步骤15、重复步骤7；
步骤16、根据碱金属原子团11的同向拉曼跃迁谱，算出施加x方向的梯度磁场Bx和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνx，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11所在位置的磁场强度B'x＝δνx/k(1)，根据x轴方向的磁场梯度大小αx，得到碱金属原子团11与同向拉曼激光2作用时碱金属原子团11的x方向位置atomx；
Figure BDA0002774504580000092
步骤17、通过改变同向拉曼激光的出射时刻，不同拉曼激光出射时刻下重复步骤2-16，得到自真空腔7的端部的原子冷却腔701抛射的碱金属原子团在三个不同位置的坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)和(x3，y3，z3)，拟合抛物线，得到原子团的轨迹，如图3所示。
实施例3：
对实施例2进行进一步优化，实施例1和2中真空腔7一端为原子冷却腔701另一端为原子探测腔703，原子干涉腔702位于原子冷却腔701和原子探测腔703之间。
本实施例中，在碱金属原子团11沿抛物线轨迹12抛射前，真空腔7两端为原子冷却腔701，碱金属原子团11沿抛物线轨迹12抛射后，真空腔7两端为原子探测腔703，
在步骤3中，反向亥姆霍兹线圈在真空腔7的两端均形成磁光阱所需磁场，利用磁光阱冷却激光器发射的冷却激光13在真空腔7两端形成冷却区域并对真空腔7两端的冷却区域内的碱金属原子团11进行冷却；
在步骤4中，通过改变真空腔7的两端的磁光阱冷却激光13的频率，将真空腔7两端的碱金属原子团11沿抛物线轨迹12相对抛射；
在步骤5中，碱金属原子团11在真空腔7的端部的原子冷却腔701内沿抛物线轨迹12经过原子干涉腔702的同向拉曼激光2后，回落到真空腔7对端的原子探测腔703；
在步骤6中，沿抛物线轨迹12回落到真空腔7对端的碱金属原子团11在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器14探测碱金属原子团11受激辐射产生荧光信号的光强；
在步骤17中，测得的是真空腔7一端的碱金属原子团11的对应抛射轨迹的三个不同位置的坐标(xA1，yA1，zA1)、(xA2，yA2，zA2)和(xA3，yA3，zA3)，以及真空腔7另一端的碱金属原子团11的抛射轨迹的三个不同位置的坐标(xB1，yB1，zB1)、(xB2，yB2，zB2)和(xB3，yB3，zB3)，下标A代表真空腔7一端的碱金属原子团11对应的原子干涉仪，下标B代表真空腔7另一端的碱金属原子团11对应的原子干涉仪，1、2、3标识同向拉曼激光的出射时刻的序号t1、t2、t3；
其他步骤同实施例2。
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 (4)

1.原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，包含原子干涉仪物理系统，其特征在于，所述的原子干涉仪物理系统包含真空腔(7)以及依次设置在真空腔(7)内的原子冷却腔(701)、原子干涉腔(702)和原子探测腔(703)，
原子冷却腔(701)和原子干涉腔(702)相互贯通，原子干涉腔(702)和原子探测腔(703)相互贯通，
真空腔(7)内设置有碱金属释放剂，
反向亥姆霍兹线圈在原子冷却腔(701)内形成磁光阱所需的磁场；
磁光阱冷却激光器出射的磁光阱冷却激光(13)在原子冷却腔(701)内形成冷却区域，
同向拉曼激光(2)沿z方向贯穿原子干涉腔(702)，
探测激光入射原子探测腔(703)，光电探测器(14)探测原子探测腔(703)内碱金属原子受激辐射的荧光信号，
真空腔(7)外部设置有x方向梯度磁场线圈(8)、y方向梯度磁场线圈(9)和z方向梯度磁场线圈(10)，
x方向为平行于水平面且沿真空腔(7)轴向方向，y方向为平行于水平面且垂直于x方向，z方向为垂直于水平面的方向。
2.根据权利要求1所述的原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，其特征在于，拉曼激光器发出的激光经过准直扩束器(1)进行准直扩束成平行光，再经过二分之一波片(4)和偏振分光棱镜(5)成为线偏振光，然后通过四分之一波片(6)，成为圆偏振光作为同向拉曼激光(2)。
3.一种原子干涉仪中原子轨迹的测量方法，利用权利要求2所述的原子干涉仪中原子团轨迹的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、打开磁光阱冷却激光器、拉曼激光器和反向亥姆霍兹线圈电流预热至少半个小时，加热碱金属释放剂使碱金属原子扩散到真空腔(7)的原子冷却腔(701)中；
步骤2、打开z方向梯度磁场线圈(10)的电流，并调节电流大小和方向，产生z方向的磁场Bz，本步骤中z方向的磁场Bz包括两部分，一部分为z轴方向偏置磁场B0，另一部分为z轴方向的梯度磁场，关闭x方向梯度磁场线圈(8)和y方向梯度磁场线圈(9)的电流；
Bz＝γz×atomz+B0
其中，atomz为原子团在z方向的坐标值；γz为z轴方向的磁场梯度大小；
步骤3、利用反向亥姆霍兹线圈在真空腔(7)的端部的原子冷却腔(701)形成磁光阱所需磁场；利用磁光阱冷却激光器发射的磁光阱冷却激光(13)在真空腔(7)的端部的原子冷却腔(701)内形成冷却区域并对冷却区域内的碱金属原子团(11)进行冷却；
步骤4、通过改变真空腔(7)的端部的磁光阱冷却激光(13)的频率，将碱金属原子团(11)沿抛物线轨迹(12)抛射；
步骤5、碱金属原子团(11)在真空腔(7)的端部的原子冷却腔(701)内沿抛物线轨迹(12)经过原子干涉腔(702)的同向拉曼激光(2)后，回落到真空腔(7)对端的原子探测腔(703)；
步骤6、回落到真空腔(7)的原子探测腔(703)的碱金属原子团(11)在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器(14)探测碱金属原子团(11)受激辐射产生荧光信号的光强；
步骤7、改变同向拉曼激光(2)的频率并重复步骤3-6获得碱金属原子团(11)的同向拉曼跃迁谱；
步骤8、根据碱金属原子团(11)的同向拉曼跃迁谱，算出施加包括z轴方向偏置磁场B0和z轴方向的梯度磁场的z方向的磁场Bz对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνz，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)所在位置的磁场强度B′z＝δνz/k(1)，根据z轴方向的磁场梯度大小γz，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)的z方向位置atomz；
atomz＝(B′z-B0)/γz
步骤9、调节z方向梯度磁场线圈(10)电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，不产生z轴方向的梯度磁场；
步骤10、打开y方向梯度磁场线圈(9)的电流，并调节电流大小和方向，产生y方向的梯度磁场By；
By＝βy×atomy
其中，βy为y轴方向的磁场梯度大小，atomy为原子团在y方向的坐标值；
步骤11、重复步骤7；
步骤12、根据步骤11获得的碱金属原子团(11)的同向拉曼跃迁谱，算出施加y方向的梯度磁场By和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνy，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)所在位置的磁场强度B'y＝δνy/k(1)，根据y轴方向的磁场梯度大小βy，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)的y方向位置atomy；
Figure FDA0002774504570000031
步骤13、关闭y方向梯度磁场线圈(9)电流；
步骤14、调节z方向梯度磁场线圈(10)电流大小和方向，只产生z方向的偏置磁场B0，打开x方向梯度磁场线圈(8)并调节x方向梯度磁场线圈(8)的电流大小和方向，产生x方向的梯度磁场Bx；
Bx＝αx×atomx
其中，αx为x轴方向的磁场梯度大小，atomx为原子团在x方向的坐标值；
步骤15、重复步骤7；
步骤16、根据碱金属原子团(11)的同向拉曼跃迁谱，算出施加x方向的梯度磁场Bx和z轴方向偏置磁场B0对应的0-0跃迁和1-1跃迁间的频率间隔δνx，依照一阶塞曼系数k(1)，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)所在位置的磁场强度B'x＝δνx/k(1)，根据x轴方向的磁场梯度大小αx，得到碱金属原子团(11)与同向拉曼激光(2)作用时碱金属原子团(11)的x方向位置atomx；
Figure FDA0002774504570000041
步骤17、通过改变同向拉曼激光的出射时刻，不同拉曼光出射时刻下重复步骤2-16，得到自真空腔(7)的端部的原子冷却腔(701)抛射的碱金属原子团在三个不同位置的坐标，拟合抛物线，得到原子团的轨迹。
4.根据权利要求3所述的一种原子干涉仪中原子轨迹的测量方法，其特征在于，
在碱金属原子团(11)沿抛物线轨迹(12)抛射前，真空腔(7)两端为原子冷却腔(701)，碱金属原子团(11)沿抛物线轨迹(12)抛射后，真空腔(7)两端为原子探测腔(703)，
在步骤3中，反向亥姆霍兹线圈在真空腔(7)的两端均形成磁光阱所需磁场，利用磁光阱冷却激光器发射的磁光阱冷却激光(13)在真空腔(7)两端形成冷却区域并对真空腔(7)两端的冷却区域内的碱金属原子团(11)进行冷却；
在步骤4中，通过改变真空腔(7)的两端的磁光阱冷却激光(13)的频率，将真空腔(7)两端的碱金属原子团(11)沿抛物线轨迹(12)相对抛射；
在步骤5中，碱金属原子团(11)在真空腔(7)的端部的原子冷却腔(701)内沿抛物线轨迹(12)经过原子干涉腔(702)的同向拉曼激光(2)后，回落到真空腔(7)对端的原子探测腔(703)；
在步骤6中，沿抛物线轨迹(12)回落到真空腔(7)对端的碱金属原子团(11)在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，光电探测器(14)探测碱金属原子团(11)受激辐射产生荧光信号的光强；
在步骤17中，测得的是真空腔(7)一端的碱金属原子团(11)的对应抛射轨迹的三个不同位置的坐标，以及真空腔(7)另一端的碱金属原子团(11)的抛射轨迹的三个不同位置的坐标。
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