CN114152249A - 一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置包括二维真空腔、放置于铜管中的铷87源、三维真空腔、探测真空腔、中心带有小孔的硅胶垫片、两对二维冷却光、两对二维梯度线圈、推送光、三对三维冷却光、真空法兰、探测光、一对荧光收集装置、信号采集及数据处理设备及真空维持设备。本发明的窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置及制备方法，利用三维光学粘团技术对高通量的二维冷原子束流进行偏振梯度冷却，降低二维冷原子束流在横向和纵向的速度分布，提高三维冷原子束流的单色性，满足高性能大带宽的冷原子惯性测量的技术需求。

Description

一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置及方法

技术领域

本发明属于基于冷原子干涉技术的惯性测量领域，特别是一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置及方法。

背景技术

冷原子干涉陀螺仪具有超高精度、不依赖GPS和无长期漂移等优点，在惯性测量领域、基础物理研究和地质学领域具有广泛应用前景。目前常见的冷原子干涉陀螺仪主要有两种结构，分别采用冷原子团和冷原子束流作为敏感介质，其中前者工作在脉冲模式，操控相对精确，但存在测量死区，测量带宽小；后者则始终工作在连续测量状态，可以不断地获取载体的运动角速度，测量带宽大，因此在惯性领域具有更为重要的应用潜力。

1997年，美国斯坦福大学的研究人员首次提出了基于热原子束流的原子干涉陀螺方案，验证了陀螺效应，并达到了较高的精度水平，但体积较大，难以工程化应用。2015年，清华大学的研究小组通过改变三维磁光阱结构实现了低速的冷原子束流，但束流通量相对热原子束流和二维冷原子束流偏小，横向和轴向速度分布也较大。2017年，美国海军航空司令部提出利用二维冷原子束流代替热原子束流，实现冷原子干涉测量，但由于轴向速度分布较大，导致干涉条纹实现困难，暂未在转动测量方面取得实质性进展。如何实现高通量的原子束流并同时具备较窄的速度分布对于高精度转动测量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，利用三维光学粘团技术对高通量的二维冷原子束流进行偏振梯度冷却，降低二维冷原子束流在横向和纵向的速度分布，提高三维冷原子束流的单色性，满足高性能大带宽的冷原子惯性测量的技术需求。

本发明的目的还在于提供一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，其特征在于：包括二维真空腔、放置于铜管中的铷87源、三维真空腔、探测真空腔、中心带有小孔的硅胶垫片、两对二维冷却光、两对二维梯度线圈、推送光、三对三维冷却光、真空法兰、探测光、一对荧光收集装置、信号采集及数据处理设备及真空维持设备；

所述真空维持设备包括伽马泵，离子泵，真空管道和真空阀门，伽马泵通过真空管道连接二维真空腔，离子泵通过真空管道连接三维真空腔和探测真空腔；

所述二维真空腔的前后上下四个面为矩形结构，四个面分别垂直入射所述两对二维冷却光，二维冷却光频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-Г；左侧面为正方形结构，左侧面的中心为通光孔径，垂直入射所述推送光，推送光频率和冷却光相同，二维真空腔的前后上下四个面分别安装矩形线圈，其中相邻两个面的线圈电流方向相同，相对两个面的线圈电流方向相反，铷87源放置在铜管中，铜管与二维真空腔通过金属阀门连接；

三维真空腔，前后上下四个面为矩形结构，三对三维冷却光包括一对左水平冷却光、一对右水平冷却光及一对垂直冷却光，前后方向分别以±45°方向照射一对左水平冷却光、一对右水平冷却光，上下方向垂直入射一对对射的垂直冷却光，三对三维冷却光的频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-6Г，左侧端面键合在硅胶垫片上，右侧端面为正方形结构，中心开有小孔，小孔处连接安装真空法兰；

二维真空腔和三维真空腔通过一个硅胶垫片连接，硅胶垫片为梯形结构，直角边侧与二维真空腔键合，斜角边侧与三维真空腔键合；硅胶垫片中心开有直径为1mm的小孔；

探测真空腔为正方体结构，探测真空腔的左端面与真空法兰的右端面同心密闭连接，探测真空腔的前后端面开有荧光收集窗口，有效通光口径为35-45mm；探测真空腔的上下端面开有玻璃窗口，有效通光口径30-40mm；探测真空腔的右侧端面与离子泵通过真空管道同轴连接，探测真空腔的上端面安装有探测光筒，产生30mm×10mm的矩形探测光，频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁共振，下端面安装有0°反射镜，用于反射矩形探测光，上下矩形探测光严格重合，探测真空腔的前后端面各安装有一个荧光收集装置，内置一对透镜和一个光电探测器，并与前后荧光收集窗口同心，探测器的输出连接到信号采集与数据处理设备。

而且，所述的二维真空腔的整体相对水平方向斜向上倾斜10°，靠近二维真空腔的直角边端面与竖直方向夹角为10°。

而且，所述三维真空腔长6.5cm，宽和高均为2.5cm，整体水平放置。

一种速度分布的高通量冷原子束流制备装置的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)二维真空腔中，在二维冷却光与磁场的作用下，形成二维磁光阱，将二维真空腔中的铷87原子沿推送光方向进行减速冷却，形成连续输出的二维冷原子束流，二维冷原子束流大小和速度可通过二维冷却光和磁场参数来调节；

2)二维真空腔中产生的二维冷原子束流通过硅胶垫片中心的小孔装载到三维真空腔中，利用三对大频率负失谐的三维冷却光构成三维光学粘团，对二维冷原子束流进行三维方向的偏振梯度冷却，降低原子束流的横向和纵向温度，同时，将三维冷原子束流的方向偏转10°；

从三维真空腔中水平出射的三维冷原子束流进入探测真空腔，在探测真空腔中，上下照射的矩形探测光垂直照射到冷原子束流上，铷87原子吸收激光产生向四周辐射的荧光，通过探测真空腔前后表面的荧光收集装置将原子信号转换为电信号，进入信号采集和数据处理设备，用于后续的数据分析和干涉试验。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，利用三维光学粘团技术对高通量的二维冷原子束流进行偏振梯度冷却，降低二维冷原子束流在横向和纵向的速度分布，提高三维冷原子束流的单色性，为高性能大带宽的冷原子惯性测量提供了新的技术途径。

2、本发明的窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，二维真空腔和三维真空腔均采用微晶玻璃键合而成，缩小了真空系统的体积，增大了激光的入射角度，提高了惯性传感系统的集成度；同时，三维真空腔和二维真空腔之间存在10°的夹角，避免了推送光对后续冷原子束流相干性的破坏。

附图说明

图1是本发明窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置的结构示意图。

附图标记说明

001-二维冷原子束流、002-三维冷原子束流、101-二维真空腔、102-二维冷却光、103-推送光、104-二维梯度线圈、105-金属阀门、106-铜管、107-铷87源、201-硅胶垫片、202-小孔、301-三维真空腔、302-垂直冷却光、303-左水平冷却光、304-右水平冷却光、401-真空法兰、501-探测真空腔、502-探测光、503-荧光收集窗口、504-荧光收集装置、505-反射镜、601-信号采集与数据处理设备、602-同轴电缆、701-伽马泵、702-离子泵、703-真空管道。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，包括二维真空腔101、放置于铜管中的铷87源101、三维真空腔301、探测真空腔501、中心带有小孔的硅胶垫片201、两对二维冷却光102、两对二维梯度线圈104、推送光103、三对三维冷却光、真空法兰401、探测光502、一对荧光收集装置504、信号采集及数据处理设备601及真空维持设备；

真空维持设备包括伽马泵701，离子泵702，真空管道703和真空阀门，伽马泵负责维持二维真空腔的真空度，抽速为2L/s，真空度1×10^-5Pa，离子泵负责维持三维真空腔和探测真空腔的真空度，抽速25L/s，真空度1×10^-7Pa，真空管道负责伽马泵和离子泵与真空腔的连接，真空阀门负责铷87源的开关控制；

二维真空腔101为全玻璃结构，采用微晶玻璃键合而成，长宽高分别为4cm，2cm和2cm，整体与水平方向夹角为10°。前后上下四个端面均垂直入射椭圆形的二维冷却光102，该二维冷却光为圆偏振冷却光，铷87源的原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-Г，每束光功率为40mW。

二维真空腔的左侧端面垂直入射线偏振的推送光103，推送光的激光频率与二维冷却光102相同，光功率为1mW。前后上下每个端面安装有一个二维梯度线圈104，二维梯度线圈为矩形线圈，二维梯度线圈的线圈电流1.5A。

在二维真空腔101的左下端，通过金属阀门105与铜管106连接，铜管106长8cm直径2cm，内置2g铷87源107，工作时将铜管106加热到50℃并保持。二维真空腔101的右下侧通过真空管道703与伽马泵701相连，伽马泵701的抽速为2L/s，保证二维真空腔101的真空度优于1×10^-5Pa。在二维冷却光102和二维梯度线圈104和推送光103的共同作用下，沿着推送光103的方向产生二维冷原子束流001。需要说明的是，虽然本发明中采用的为铷87源107，但该测量装置和方法不依赖于所采用的具体原子种类，也可适用于其他类型的碱金属原子或碱土金属原子。同时，二维真空腔101的放置角度10°仅为本专利的典型值，但也可以推广到不同的角度应用。

为了保证冷二维原子束流001的相干性，在二维真空腔101和三维真空腔301之间通过硅胶垫片201进行过渡，其中在硅胶垫片201的中心开有直径1mm的小孔202，二维冷原子束流001通过小孔202进入三维真空腔301中。硅胶垫片201为梯形结构，直角边与二维真空腔101的右侧端面粘接，斜角边与三维真空腔301的左侧端面粘接。利用小孔202，可以在二维真空腔101和三维真空腔301之间构建真空压差，保证三维真空腔301的真空度优于1×10^-7Pa。

三维真空腔301与二维真空腔材料相同，均采用微晶玻璃键合而成，长宽高分别为6.5cm，2.5cm和2.5cm，水平方向放置。三维真空腔301入射三对三维冷却光，包括三维真空腔301的上下端面入射一对对射的垂直冷却光302，前后端面分别以±45°方向照射左水平冷却光303和右水平冷却光304，三对三维冷却光频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-6Г，光功率为20mW。上述三对冷却光将二维冷原子束流001再次俘获形成三维光学粘团。左水平冷却光303和右水平冷却光304的频率相对垂直冷却光302的频率对称失谐±δf。通过改变δf的大小，可以控制三维冷原子束流002的出射速度，可具体表示为

式中，v为三维冷原子束流002的纵向速度，λ为垂直冷却光302、左水平冷却光303和右水平冷却光304的激光波长，2δf为左水平冷却光和右水平冷却光之间的频率差。

三维真空腔301右侧端面通过真空法兰401与探测真空腔501密闭连接，三维冷原子束流002通过真空法兰401进入探测真空腔501中进行各种参数表征和探测。探测真空腔501为正方体结构，边长10cm，腔体采用无磁钛合金制作，探测真空腔的前后端面开有60mm荧光收集窗口503，有效通光口径为40mm；探测真空腔的上下端面开有50mm玻璃窗口，有效通光口径35mm。右侧端面与离子泵702通过真空管道703同轴连接，离子泵702抽速为25L/s，真空管道内径35mm，保证三维真空腔301和探测真空腔501的真空度优于1×10^-7Pa。探测真空腔501的上窗口安装有探测光筒，照射产生30mm×10mm的矩形的探测光502，频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁共振，下窗口安装有0°反射镜505，用于反射产生矩形探测光502，上下矩形探测光严格重合，并与上下荧光收集窗口503同心。在探测光502的作用下，三维冷原子束流002产生共振辐射的荧光信号。在探测真空腔的前后端面，分别安装有一套荧光收集装置504，通过内部的透镜组将荧光信号收集到光电探测器转为电信号，并经过同轴线缆602进入信号采集与数据处理设备601中，进行后续的处理分析。探测真空腔501后续也可以更换为不同的干涉腔，开展加速度或转动等干涉测量实验。

利用荧光收集装置504得到的探测信号，可以分析三维冷原子束流002的温度特性。特别地，当用一对拉曼光作用于三维冷原子束流002时，可以得到频率失谐与原子布局数的关系

式中，δ，k_i，v₀和σ_v,i分别为拉曼光的双光子频率失谐，拉曼光的波矢，原子束流的初速度和原子束流沿拉曼光方向的速度分布。

得到原子束流在某个方向(i＝x,y,z)的速度分布后，可进而得到原子束流的温度为

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，其特征在于：包括二维真空腔、放置于铜管中的铷87源、三维真空腔、探测真空腔、中心带有小孔的硅胶垫片、两对二维冷却光、两对二维梯度线圈、推送光、三对三维冷却光、真空法兰、探测光、一对荧光收集装置、信号采集及数据处理设备及真空维持设备；

所述真空维持设备包括伽马泵，离子泵，真空管道和真空阀门，伽马泵通过真空管道连接二维真空腔，离子泵通过真空管道连接三维真空腔和探测真空腔；

所述二维真空腔的前后上下四个面为矩形结构，四个面分别垂直入射所述两对二维冷却光，二维冷却光频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-Г；左侧面为正方形结构，左侧面的中心为通光孔径，垂直入射所述推送光，推送光频率和冷却光相同，二维真空腔的前后上下四个面分别安装矩形线圈，其中相邻两个面的线圈电流方向相同，相对两个面的线圈电流方向相反，铷87源放置在铜管中，铜管与二维真空腔通过金属阀门连接；

三维真空腔，前后上下四个面为矩形结构，三对三维冷却光包括一对左水平冷却光、一对右水平冷却光及一对垂直冷却光，前后方向分别以±45°方向照射一对左水平冷却光、一对右水平冷却光，上下方向垂直入射一对对射的垂直冷却光，三对三维冷却光的频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁失谐-6Г，左侧端面键合在硅胶垫片上，右侧端面为正方形结构，中心开有小孔，小孔处连接安装真空法兰；

二维真空腔和三维真空腔通过一个硅胶垫片连接，硅胶垫片为梯形结构，直角边侧与二维真空腔键合，斜角边侧与三维真空腔键合；硅胶垫片中心开有直径为1mm的小孔；

探测真空腔为正方体结构，探测真空腔的左端面与真空法兰的右端面同心密闭连接，探测真空腔的前后端面开有荧光收集窗口，有效通光口径为35-45mm；探测真空腔的上下端面开有玻璃窗口，有效通光口径30-40mm；探测真空腔的右侧端面与离子泵通过真空管道同轴连接，探测真空腔的上端面安装有探测光筒，产生30mm×10mm的矩形探测光，频率相对铷87原子的F＝2→F’＝3跃迁共振，下端面安装有0°反射镜，用于反射矩形探测光，上下矩形探测光严格重合，探测真空腔的前后端面各安装有一个荧光收集装置，内置一对透镜和一个光电探测器，并与前后荧光收集窗口同心，探测器的输出连接到信号采集与数据处理设备。

2.根据权利要求1所述窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，其特征在于：所述的二维真空腔的整体相对水平方向斜向上倾斜10°，靠近二维真空腔的直角边端面与竖直方向夹角为10°。

3.根据权利要求1所述窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置，其特征在于：所述三维真空腔长6.5cm，宽和高均为2.5cm，整体水平放置。

4.根据权利要求1所述窄速度分布的高通量冷原子束流制备装置的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)二维真空腔中，在二维冷却光与磁场的作用下，形成二维磁光阱，将二维真空腔中的铷87原子沿推送光方向进行减速冷却，形成连续输出的二维冷原子束流，二维冷原子束流大小和速度可通过二维冷却光和磁场参数来调节；

2)二维真空腔中产生的二维冷原子束流通过硅胶垫片中心的小孔装载到三维真空腔中，利用三对大频率负失谐的三维冷却光构成三维光学粘团，对二维冷原子束流进行三维方向的偏振梯度冷却，降低原子束流的横向和纵向温度，同时，将三维冷原子束流的方向偏转10°；

3)从三维真空腔中水平出射的三维冷原子束流进入探测真空腔，在探测真空腔中，上下照射的矩形探测光垂直照射到冷原子束流上，铷87原子吸收激光产生向四周辐射的荧光，通过探测真空腔前后表面的荧光收集装置将原子信号转换为电信号，进入信号采集和数据处理设备，用于后续的数据分析和干涉试验。

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