CN113311496B - 一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，包括真空容器，真空容器内设置三维磁光阱，真空容器外部的一对反亥母霍兹线圈，冷却光入射三维磁光阱，真空容器与真空泵连接，真空容器还通过差分管与二维磁光阱连接，真空容器还与垂直真空管连接，垂直真空管自下至上依次为探测区和干涉区，探测光入射探测区，拉曼光入射干涉区。本发明可实现无死时间、高采样率、高灵敏度的绝对重力测量。

Description

一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪

技术领域

本发明属于重力勘测技术领域，具体涉及一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪。

背景技术

重力是物体与地球的万有引力以及地球自转产生的向心力的合力，是计量学中非常重要的一个物理常数。不同于其他物理常数，绝对重力值在不同地点，不同高度是各不相同的，同一地点不同时间的重力值同样也是在变化的，它会受到地球固体潮(地-月之间的距离)，海洋潮汐，大气压，地质结构，地下水等等因素的变化影响。重力值的精密测量在地震及地球物理学研究，地下水等环境监测，资源勘探以及惯性导航等科学研究与应用领域都有极其重要的意义。绝对重力仪是国家重力监测网及监测台站的重要观测仪器，是地质构造，地震前兆等研究获得所需观测数据的重要手段。传统的绝对重力仪是通过精确测量真空中自由下落的棱镜运动距离和下落时间来计算得到绝对重力值，其测量精度可达2μGal(1μGal＝10-⁸m/s²)。以微观粒子的物质波干涉技术为基础的原子干涉重力仪经过二十多年的发展，以其无机械磨损，可长期连续测量，灵敏度和稳定度高等特点，已然成为绝对重力测量领域的重要仪器。

目前的原子干涉重力仪研究主要是基于⁸⁵Rb，⁸⁷Rb和¹³³Cs等单组分的碱金属元素，仅有的几个同步双组分原子干涉仪实验都专注于等效原理验证研究，还鲜有关于双组分原子干涉绝对重力测量的相关技术。由于单组分原子重力仪采样率低，测量死时间长，无法实现真正的“连续”测量，导致基于原子干涉的重力测量技术潜力不能完全展现，这使其在引力波天文学和暗物质探测等基础研究以及惯性导航等应用方面的前景受到严重影响。例如在惯性导航应用中，重力仪作为惯导系统的关键传感器之一，其测量死时间造成的测量信息丢失是导致导航误差的重要因素，也是将来基于原子干涉仪的惯性测量单元研制和应用的严重阻碍。死时间在原子干涉仪中是来自于原子源的制备、选态、干涉前后的飞行以及探测等非干涉过程所需要的时间。死时间的存在会降低仪器的测量灵敏度，使得原子干涉仪达不到可能的最高测量精度。近几年已经有一些研究实现了通过交织上抛⁸⁷Rb原子进行干涉的方式来消除转动角速度测量中的死时间。在原子干涉重力测量系统中，不同于转动测量系统拉曼光与原子的运动方向相互垂直，沿着重力方向的拉曼光与整个原子运行轨迹重叠，很难消除交织上抛过程中两团原子之间冷却、拉曼和探测过程的相互影响。例如单个组分的原子交织干涉时，原子团囚禁和探测过程产生的杂散光会使得处于干涉过程的原子产生非相干的光子吸收和发射，导致干涉条纹对比度极大降低，难以大幅提高采样率和测量精度。因此，目前还未有同时实现高精度、高采样率、零死时间的原子干涉重力测量的相关研究。

为了解决原子干涉重力仪测量采样率低，死时间长的突出问题，充分挖掘用原子干涉法进行重力精密测量的潜力，提高重力测量精度，本发明使用双组分原子交织干涉来进行绝对重力测量，在提高测量采样率和消除死时间的同时，重力测量精度达到优于1μGal水平。相对于单组分交织原子干涉仪，由于两种原子的冷却、回泵和拉曼跃迁互相之间的频率失谐较大，双组分交织干涉模式下一种组分原子和激光间的相互作用操作并不会对另一种组分的原子产生显著的影响。本发明依据上述原子干涉重力测量中存在的问题，设计了有针对性的解决方案：采用⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种原子交织干涉的方式增加测量采样率，消除原子干涉测量的死时间；利用⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种原子的拉曼光快速切换技术作为实现双组分交织干涉仪的技术手段；通过k波矢反转和条纹锁定技术实现测量噪声的抑制、测量采样率和测量精度的提高。从而实现具有高采样率，零死时间的高精度双组分原子交织干涉重力仪。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，包括真空容器，真空容器内设置三维磁光阱，真空容器外部的一对反亥母霍兹线圈，冷却光入射三维磁光阱，真空容器与真空泵连接，真空容器还通过差分管与二维磁光阱连接，真空容器还与垂直真空管连接，垂直真空管自下至上依次为探测区和干涉区，探测光入射探测区，拉曼光入射干涉区。

拉曼光包括第一个π/2拉曼光脉冲、π拉曼光脉冲和第二个π/2拉曼光脉冲，

⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子的干涉自由演化时间分别为T和T’，⁸⁵Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲与⁸⁷Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲的时间间隔T_C<2T，在⁸⁵Rb原子经三维磁光阱上抛进入干涉区与第一个π/2拉曼光脉冲作用后，三维磁光阱中开始囚禁⁸⁷Rb原子，在⁸⁵Rb原子与π拉曼光脉冲作用后，抛起⁸⁷Rb原子，在⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用前，⁸⁷Rb原子上抛进入干涉区与第一个π/2拉曼光脉冲作用，此后⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用并离开干涉区，再到达探测区，通过归一化荧光探测的方式得到处于F＝3态的布居数比例，等到⁸⁵Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁵Rb原子，然后⁸⁷Rb原子与π拉曼光脉冲作用，间隔T’时间后又与第二个π/2拉曼光脉冲作用，紧接着的归一化荧光探测，等⁸⁷Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁷Rb原子。

如上所述的与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第一个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的π拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第二个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出。

一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，还包括冷却光激光器、参考光激光器、第一拉曼光激光器、第二拉曼光激光器，

在⁸⁵Rb原子冷却阶段，冷却光激光器输出的冷却光频率为f_85cooling＝f_Ref+f₁，

在⁸⁵Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一束拉曼光的频率为f_85Raman1＝f_Ref-f₂，第二拉曼光激光器输出的第二束拉曼光的频率为f_85Raman2＝f_85Raman1+f₃；

在⁸⁷Rb原子冷却阶段，冷却光激光器输出的冷却光的频率为f_87cooling＝f_Ref-f₁，

在⁸⁷Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一束拉曼光的频率为f_87Raman1＝f_Ref-f₂，第二拉曼光激光器输出的第二束拉曼光的频率为f_87Raman2＝f_87Raman1+f₃，

其中，f_Ref为锁定后的参考光激光器输出的参考光的频率，f₁为冷却光与参考光之间的频差，f₂为第一束拉曼光与参考光之间的频差，f₃为第一束拉曼光与第二束拉曼光之间的频差。

一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，还包括第一拍频锁相电路、第二拍频锁相电路和第三拍频锁相电路；

第一拍频锁相电路包括第一分频器、第一信号发生器、第一混频器、第一鉴频鉴相器和第一PID控制器，冷却光和参考光的拍频信号输入到第一分频器进行分频，分频后的拍频信号和第一信号发生器输出的信号经第一混频器混频后，再经第一鉴频鉴相器和第一PID控制器输出第一控制信号到冷却光激光器；

第二拍频锁相电路包括第一锁相介质振荡器、第二混频器、第二分频器、第三混频器、第二信号发生器、第二鉴频鉴相器和第二PID控制器，第一拉曼光和参考光的拍频信号、以及第一锁相介质振荡器的输出信号经第二混频器混频后，再经第二分频器进行分频，经第二分频器分频后的信号和第二信号发生器输出的信号经第三混频器进行混频后，再依次经第二鉴频鉴相器、第二PID控制器输出第二控制信号到第一拉曼光激光器，

第三拍频锁相电路包括第二锁相介质振荡器、第四混频器、第三分频器、第五混频器、第三信号发生器、第三鉴频鉴相器和第三PID控制器，第二拉曼光和参考光的拍频信号、以及第二锁相介质振荡器的输出信号经第四混频器混频后，再经第三分频器进行分频，经第三分频器分频后的信号和第三信号发生器输出的信号经第五混频器进行混频后，再依次经第三鉴频鉴相器、第三PID控制器输出第三控制信号到第二拉曼光激光器。

本发明选取⁸⁵Rb和⁸⁷Rb这两种同位素原子作为本发明的参考质量，主要有两个原因：同位素原子操控只需要一个原子源，且激光波长比较接近，可以降低系统的复杂程度；⁸⁵Rb和⁸⁷Rb原子的冷却、回泵和拉曼跃迁之间的频率失谐较大，对原子进行相关操控时相互间的干扰较小。

在原子干涉方案方面，使用技术成熟的π/2-π-π/2三拉曼脉冲马赫-曾德型原子干涉仪。双组分原子交织干涉就是交替上抛⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种冷原子团，在⁸⁵Rb原子自由演化过程中就开始⁸⁷Rb原子的干涉过程，如图1所示。类似于⁸⁵Rb和⁸⁷Rb两个原子干涉仪之间有一个时间延迟，使得两组分原子的干涉过程在时间上有一定的重叠，且原子团的囚禁、探测和自由飞行等非测量时间(即原子干涉测量“死时间”)均与另一组分的干涉过程同步进行，实现零死时间的原子干涉重力测量。

本发明相对与现有技术，具有以下有益效果：

1、两种组分的原子交织上抛干涉使得在同样时间内进行的测量次数增大一倍，有效增加了重力测量的采样率，提高原子干涉重力测量的灵敏度。

2、交织干涉的原子重力仪充分利用了原子冷却囚禁过程中的非测量“死时间”来进行另一种同位素原子的干涉测量，避免了测量死时间造成的被测量信息的丢失问题，实现了完全连续的原子重力测量。

3、由于同位素原子与激光共振频率差别较大，在交织上抛干涉过程中相互之间的干扰极小，额外引入的测量噪声就可忽略不计。

4、相比于传统的单组分原子重力仪，双组分交织上抛干涉原子重力仪只是在时序控制上增加了一定的复杂度，对于实际硬件的要求并没有明显的增加，也就是说仅仅需要对控制软件进行改进即可实现提高测量灵敏度、采样率、消除死时间等较大的性能提升。

附图说明

图1为本发明真空容器的连接结构示意图；

图2为本发明实际操作原理示意图；

图3(a)为本发明的激光频率方案示意图；

图3(b)为本发明的光学部分的结构方框图；

图4(a)为第一拍频锁相电路结构示意图；

图4(b)为第二拍频锁相电路结构示意图；

图4(c)为第三拍频锁相电路结构示意图。

其中：

1-真空容器；2-反亥母霍兹线圈；3-激光准直器；4-二维磁光阱(2DMOT)；5-推载光；6-原子运动轨迹；7-真空泵；8-三维磁光阱(3DMOT)；9-原子干涉探测区；10-差分管；11-垂直真空管。

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所示，一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，包括真空容器1，真空容器1内设置三维磁光阱8，真空容器1外部的一对反亥母霍兹线圈2，冷却光入射三维磁光阱8，真空容器1与真空泵7连接，真空容器1还通过差分管10与二维磁光阱4连接，真空容器1还与垂直真空管11连接，垂直真空管11自下至上依次为探测区和干涉区，探测光入射探测区，拉曼光入射干涉区。

原子干涉技术的基本过程包括原子团的囚禁和上抛，原子干涉初态的制备，π/2-π-π/2拉曼光与原子相互作用实现原子波包的干涉过程，以及归一化荧光探测原子处于某一个态上的布居数比例。在本发明的双组分原子交织干涉中，对于每个组分原子的干涉过程与单组分原子干涉仪基本一致，只是两种原子的交替操作使得时序控制上要更复杂。

首先是⁸⁵Rb原子在二维磁光阱(2D MOT)中进行装载，几百毫秒后由一束推载光将⁸⁵Rb原子转移到三维磁光阱(3D MOT)中进一步冷却和上抛，等原子到达干涉区后用拉曼光(π/2-π-π/2)进行选态、选速和干涉操作。但是在⁸⁵Rb原子进行干涉过程之前，⁸⁷Rb原子就开始了在二维磁光阱(2D MOT)中的装载，并在⁸⁵Rb原子完成干涉之前完成上抛、选态和选速，且开始干涉过程。

如图2所示，假设⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子的干涉自由演化时间分别为T和T’，⁸⁵Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲与⁸⁷Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲的时间间隔为双组分交织干涉仪的采样周期T_C<2T。在⁸⁵Rb原子经三维磁光阱(3D MOT)上抛进入干涉区与第一个π/2拉曼光脉冲作用后，三维磁光阱中开始囚禁⁸⁷Rb原子。在⁸⁵Rb原子与π拉曼光脉冲作用后，抛起⁸⁷Rb原子，在⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用前，⁸⁷Rb原子上抛进入干涉区与与第一个π/2拉曼光脉冲作用，此后⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用并离开干涉区，自由飞行一段时间后到达探测区，通过归一化荧光探测的方式得到处于F＝3态的布居数比例。等到⁸⁵Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁵Rb原子，开启⁸⁵Rb原子干涉仪的新一个周期，然后⁸⁷Rb原子与π拉曼光脉冲作用，间隔T’时间后又与第二个π/2拉曼光脉冲作用，紧接着的归一化荧光探测，等⁸⁷Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁷Rb原子，开启⁸⁷Rb原子干涉仪的下个周期。由于两种组分的原子干涉仪拉曼光都是耦合到同一根光纤中，从同一个准直器射出的，即与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第一个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的π拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第二个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出，所以两个原子干涉仪的测量轴是严格一致的。

本发明实现的双组分原子交织干涉，是通过快速切换第一拍频锁相电路至第三拍频锁相电路的第一信号发生器至第三信号发生器的频率参考来实现两种原子所需冷却、回泵与拉曼光的快速转换。如图3(b)所示，冷却光和第一束拉曼光都与参考激光通过第二拍频锁相电路锁定，第一束拉曼光和第二拉曼光之间同样也由第三拍频锁相电路锁定在一起。尽管看起来比较复杂，双组分原子干涉重力仪相对于单组分的原子干涉重力仪其实在光路上并没有增加太多的器件。

如图3(a)所示。参考光锁定在⁸⁵Rb原子的D₂线F＝3→F’＝3和F’＝4的交叉峰上，⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子的拉曼光(包括第一个π/2拉曼光脉冲、π拉曼光脉冲和第二个π/2拉曼光脉冲)双光子失谐均为1GHz，双组分原子交织操控需要的所有频率的激光都可以通过调制相应的微波源频率来实现。

在⁸⁵Rb原子冷却(或探测)阶段，冷却光激光器输出的冷却光的频率为f_85cooling＝f_Ref+f₁(60MHz)，f_Ref为锁定后的参考光激光器输出参考光的频率，f₁为拍频锁定电路可控制的冷却光与参考光之间的频差。生成回泵光的EOM调制频率f_EOM＝2.9GHz，

⁸⁷Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一束拉曼光的频率为f_87Raman1＝f_Ref-f₂(2GHz)，f₂为拍频锁定电路可控制的第一束拉曼光与参考光之间的频差。第二拉曼光激光器输出的第二束拉曼光的频率为f_87Raman2＝f_87Raman1+f₃(6.8GHz)，f₃为拍频锁定电路可控制的第一束拉曼光与第二束拉曼光之间的频差。第一拉曼激光器出射的第一束拉曼光和第二拉曼激光器出射的第二束拉曼光构成第一个π/2拉曼光脉冲，或者π拉曼光脉冲，或者第二个π/2拉曼光脉冲。

而在⁸⁷Rb原子冷却(或探测)阶段，冷却光激光器输出的冷却光的频率f_87cooling＝f_Ref-f₁(1.1GHz)，生成回泵光的EOM调制频率f_EOM＝6.6GHz，

⁸⁵Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一拉曼光的频率f_85Raman1＝f_Ref-f₂(1GHz)，第二拉曼光激光器输出的输出的第二拉曼光的频率f_85Raman2＝f_85Raman1+f₃(3GHz)。

如图4(a)-(c)所示，拍频锁相模块包括第一拍频锁相电路、第二拍频锁相电路和第三拍频锁相电路；

第一拍频锁相电路包括第一分频器、第一信号发生器、第一混频器、第一鉴频鉴相器和第一PID控制器，冷却光和参考光的拍频信号输入到第一分频器进行分频，分频后的拍频信号和第一信号发生器输出的信号经第一混频器混频后，再经第一鉴频鉴相器和第一PID控制器输出第一控制信号到冷却光激光器；

第二拍频锁相电路包括第一锁相介质振荡器、第二混频器、第二分频器、第三混频器、第二信号发生器、第二鉴频鉴相器和第二PID控制器，第一拉曼光和参考光的拍频信号、以及第一锁相介质振荡器的输出信号经第二混频器混频后，再经第二分频器进行分频，经第二分频器分频后的信号和第二信号发生器输出的信号经第三混频器进行混频后，再依次经第二鉴频鉴相器、第二PID控制器输出第二控制信号到第一拉曼光激光器，

第三拍频锁相电路包括第二锁相介质振荡器、第四混频器、第三分频器、第五混频器、第三信号发生器、第三鉴频鉴相器和第三PID控制器，第二拉曼光和参考光的拍频信号、以及第二锁相介质振荡器的输出信号经第四混频器混频后，再经第三分频器进行分频，经第三分频器分频后的信号和第三信号发生器输出的信号经第五混频器进行混频后，再依次经第三鉴频鉴相器、第三PID控制器输出第三控制信号到第二拉曼光激光器。

冷却光和参考光的拍频信号经过第一分频器转化为较低频率信号后与第一信号发生器(DDS)产生的信号进行混频，再鉴频鉴相后得到误差信号，经过PID算法后输出的控制信号控制冷却激光频率与参考光有一个固定的频差。

而第一束拉曼光与参考光，以及第一束拉曼光和第二束拉曼光之间的拍频信号由于频率更高，需先跟锁相介质振荡器混频后再进行如前所述的处理流程。几个不同激光之间频差(f₁，f₂，f₃)由第一拍频锁相电路至第三拍频锁相电路的第一信号发生器至第三信号发生器的控制。由此可见，本发明中两个组分原子的交替操作仅需对三个主要信号源频率进行快速的切换即可。相对于拍频锁相方案的单组分原子干涉重力传感器，本发明只增加了两个额外的信号源。

绝对重力值的测量是通过干涉条纹斜率最大处的值P所对应的拉曼光啁啾率α_c得到的，

为了跟随绝对重力g值随时间的缓慢变化，拉曼光啁啾率α_c通过条纹锁定的方法保证双组分原子干涉仪的测量灵敏度，同时，为消除部分噪声的影响，本发明使用了原子干涉重力测量技术中常用的k反转方法，因此需要8个测量周期才能完成一次完整的双组分交织干涉重力测量。对于其中一个组分的原子干涉来说，

其中，α_n为第n次原子干涉的啁啾率，

为第n次原子干涉的中心条纹对应的啁啾率，S＝±1表示k波矢方向，P_n为原子的布居数概率，G为条纹锁定反馈增益，g_n为第n次测量的重力值。由于⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子的有效波矢k_eff不同，双组分交织干涉的啁啾率α切换相对单组分会稍显复杂，单组份就不存在交织，双组分交织干涉方法中，其中一个组分的啁啾率切换与常规单组份原子重力仪相同。

本实施例中的组成构件说明：

真空容器1，由铝或钛加工而成，真空度可达1×10-⁸pa，原子的三维激光冷却和囚禁过程在这里完成。

一对反亥母霍兹线圈2，漆包线绕成的多匝多层线圈对，用来形成冷却原子所需的中心强度为零的梯度磁场。

激光准直器3，用来将光纤出射激光(冷却光、回泵光、第一束拉曼光、第二束拉曼光)进行准直和扩束，使得激光能透过真空容器1的窗口与原子进行相互作用。

二维磁光阱4，与真空容器1材质相同，用来预冷却原子，然后用一束推载光5将预冷却后的原子推到真空容器1中，使得三维冷却过程速度更快，囚禁的原子数更多。二维磁光阱4与真空容器1中间由一个差分管连接，使得差分管两边的二维磁光阱4和三维磁光阱区域8之间有两个量级以上的真空度差别，以保证真空容器1的超高真空度。

真空泵7，用来维持真空容器1的超高真空，泵的抽速一般为100L/s左右。

以下按照原子干涉法重力测量过程和两种组分原子的交织干涉控制两个方面阐述本发明的工作原理。

如图1所示，真空系统主要分为五部分：二维磁光阱(2DMOT)，三维磁光阱(3DMOT)，探测区，干涉区和真空维持部分(真空泵7)。由两束圆偏振的椭圆形激光经过λ/4玻片与反射镜反射后形成两对冷却光以及两对磁场线圈组成的磁光阱对二维磁光阱(2DMOT)内的原子进行二维冷却，再通过一束推载光将冷却下来的冷原子束装载到三维磁光阱(3DMOT)中。经过约500ms的装载，三维磁光阱(3DMOT)中制备到F＝3态的冷原子数量可达2*10⁸个，再经过PGC(偏振梯度冷却)过程后，原子团温度可降至2μk左右。为了尽量减少原子间碰撞对干涉测量的影响，用一个20L的离子泵加上一个100L的吸气剂泵构成的真空泵7来维持三维磁光阱(3DMOT)和干涉区2*10^-8pa的超高真空，但是二维磁光阱(2DMOT)因为充满了Rb蒸气，真空度仅为10^-5pa，故二维磁光阱(2DMOT)和三维磁光阱(3DMOT)之间用一个差分管将他们连接起来。通过对冷却光失谐上抛冷原子团(⁸⁵Rb原子/⁸⁷Rb原子)实现约0.5m的原子喷泉，冷原子团(⁸⁵Rb原子/⁸⁷Rb原子)经过探测区之后就是约30cm的干涉区，拉曼光就是在干涉区对冷原子团进行选态、选速、分离、合束等一系列操作。原子团(⁸⁵Rb原子/⁸⁷Rb原子)向上运动到达干涉区经过拉曼光的选态和选速后，在与第一个π/2拉曼光脉冲作用，使得处于基态的原子一半跃迁到激发态并得到加速(类比于激光干涉仪的分束)，分离成两条路径；经过时间间隔T后，再用π拉曼光脉冲作用一次，使得处于基态的原子跃迁到激发态而处于激发态的原子跃迁到基态(类比于激光干涉仪的反射)，同样再经过T后，再与第二个π/2拉曼光脉冲作用，两条路径完成闭合(类比于激光干涉仪的合束)，完成干涉过程。最终测量到的干涉条纹相位于绝对重力值g的关系为φ＝k_effgT²，其中k_eff为拉曼光有效波矢。当原子与拉曼激光作用结束后再次掉落至探测区，此时用归一化探测手段得到F＝3态的原子布居数比例，完成一次原子干涉测量过程。

对于双组分原子交织干涉重力仪中的每个组分的原子来说，整个测量过程与上述流程基本一致，只是⁸⁵Rb的三维冷却过程与⁸⁷Rb的干涉过程在时间上几乎是重叠的，而⁸⁷Rb的三维冷却过程与⁸⁵Rb的干涉过程在时间上又是重叠的。这样就使得有效的测量过程(也即原子干涉过程)可以覆盖全时段以消除测量死时间。

利用本实施例的双组分原子交织干涉重力仪可以使得：

1、在同样时间内进行的测量次数增大一倍，也即采样率提升一倍，重力测量的灵敏度提升

倍。

2、避免测量死时间造成的被测量信息丢失，实现完全连续的原子重力测量。

3、由于同位素原子与激光共振频率差别较大，在交织上抛干涉过程中相互之间的干扰极小，额外引入的测量噪声就可忽略不计。

综上所述，本发明与目前现有的原子重力仪相比，除了实现重力测量的基本功能以外，还具有消除测量死时间，增加测量采样率，提高仪器灵敏度，同时并不增加系统硬件复杂度和成本等一系列优势。

本发明中所描述的具体实施案例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案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)

1.一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，包括真空容器(1)，其特征在于，真空容器(1)内设置三维磁光阱(8)，真空容器(1)外部的一对反亥母霍兹线圈(2)，冷却光入射三维磁光阱(8)，真空容器(1)与真空泵(7)连接，真空容器(1)还通过差分管(10)与二维磁光阱(4)连接，真空容器(1)还与垂直真空管(11)连接，垂直真空管(11)自下至上依次为探测区和干涉区，探测光入射探测区，拉曼光入射干涉区，

拉曼光包括第一个π/2拉曼光脉冲、π拉曼光脉冲和第二个π/2拉曼光脉冲，

⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子的干涉自由演化时间分别为T和T’，⁸⁵Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲与⁸⁷Rb原子干涉过程的第一个π/2拉曼光脉冲的时间间隔T_C<2T，在⁸⁵Rb原子经三维磁光阱上抛进入干涉区与第一个π/2拉曼光脉冲作用后，三维磁光阱中开始囚禁⁸⁷Rb原子，在⁸⁵Rb原子与π拉曼光脉冲作用后，抛起⁸⁷Rb原子，在⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用前，⁸⁷Rb原子上抛进入干涉区与第一个π/2拉曼光脉冲作用，此后⁸⁵Rb原子与第二个π/2拉曼光脉冲作用并离开干涉区，再到达探测区，通过归一化荧光探测的方式得到处于F＝3态的布居数比例，等到⁸⁵Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁵Rb原子，然后⁸⁷Rb原子与π拉曼光脉冲作用，间隔T’时间后又与第二个π/2拉曼光脉冲作用，紧接着的归一化荧光探测，等⁸⁷Rb原子落回三维磁光阱时，重新装载⁸⁷Rb原子。

2.根据权利要求1所述的一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，其特征在于，所述的与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第一个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的π拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出；与⁸⁵Rb原子和⁸⁷Rb原子作用的第二个π/2拉曼光脉冲均耦合到同一根光纤中且从同一个准直器射出。

3.根据权利要求2所述的一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，其特征在于，还包括冷却光激光器、参考光激光器、第一拉曼光激光器、第二拉曼光激光器，

在⁸⁵Rb原子冷却阶段，冷却光激光器输出的冷却光频率为f_85cooling＝f_Ref+f₁，

在⁸⁵Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一束拉曼光的频率为f_85Raman1＝f_Ref-f₂，第二拉曼光激光器输出的第二束拉曼光的频率为f_85Raman2＝f_85Raman1+f₃；

在⁸⁷Rb原子冷却阶段，冷却光激光器输出的冷却光的频率为f_87cooling＝f_Ref-f₁，

在⁸⁷Rb原子干涉阶段，第一拉曼光激光器输出的第一束拉曼光的频率为f_87Raman1＝f_Ref-f₂，第二拉曼光激光器输出的第二束拉曼光的频率为f_87Raman2＝f_87Raman1+f₃，

其中，f_Ref为锁定后的参考光激光器输出的参考光的频率，f₁为冷却光与参考光之间的频差，f₂为第一束拉曼光与参考光之间的频差，f₃为第一束拉曼光与第二束拉曼光之间的频差。

4.根据权利要求3所述的一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，其特征在于，还包括第一拍频锁相电路、第二拍频锁相电路和第三拍频锁相电路；

第一拍频锁相电路包括第一分频器、第一信号发生器、第一混频器、第一鉴频鉴相器和第一PID控制器，冷却光和参考光的拍频信号输入到第一分频器进行分频，分频后的拍频信号和第一信号发生器输出的信号经第一混频器混频后，再经第一鉴频鉴相器和第一PID控制器输出第一控制信号到冷却光激光器；

第二拍频锁相电路包括第一锁相介质振荡器、第二混频器、第二分频器、第三混频器、第二信号发生器、第二鉴频鉴相器和第二PID控制器，第一拉曼光和参考光的拍频信号、以及第一锁相介质振荡器的输出信号经第二混频器混频后，再经第二分频器进行分频，经第二分频器分频后的信号和第二信号发生器输出的信号经第三混频器进行混频后，再依次经第二鉴频鉴相器、第二PID控制器输出第二控制信号到第一拉曼光激光器，

第三拍频锁相电路包括第二锁相介质振荡器、第四混频器、第三分频器、第五混频器、第三信号发生器、第三鉴频鉴相器和第三PID控制器，第二拉曼光和参考光的拍频信号、以及第二锁相介质振荡器的输出信号经第四混频器混频后，再经第三分频器进行分频，经第三分频器分频后的信号和第三信号发生器输出的信号经第五混频器进行混频后，再依次经第三鉴频鉴相器、第三PID控制器输出第三控制信号到第二拉曼光激光器。

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