CN114689282A - 一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学领域和原子干涉精密测量领域，本发明提供一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法，光学成像系统的放大倍数指的是像的大小和物的大小之比，通过扫描拉曼谱得到原子团速度信息，利用上抛原子的实际运动距离作为尺寸参考，对比原子团上抛的成像距离获取成像系统的放大倍数，由于我们利用微秒级别的脉冲激光来确定时间，可以实现原子干涉精密测量中成像系统放大倍数的高精度在线标定。

Description

一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法

技术领域

本发明属于光学领域和原子干涉精密测量领域，更具体地，涉及一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法。

背景技术

在光学成像和原子干涉精密测量领域，原子团的信息非常重要，特别是基于原子干涉万有引力常数测量中，原子团作为检验质量，除了要测量吸引质量和原子团之间的引力相互作用外，还需要获取原子团的位置和大小等信息。传统的基于扭秤的测G实验，检验质量的几何尺寸是固定不变的，三维尺寸采用量块比较等多种方式均可进行测量。但是原子团作为微观检验质量，其空间位置和速度都是在不断变化的，测量其位置和大小较为困难。目前一种有效的办法是利用CCD拍摄原子团的照片。

好的成像质量依赖于合适的光学成像系统，并且光学成像系统放大倍数的精确测量是获取原子团相关信息的前提。光学成像系统一般由一组凸透镜构成，虽然通过各组成透镜的焦距和相对位置信息可以理论上算得放大倍数，然而实际的组装以及固定过程中，成像系统的实际放大倍数与理论值有一定的差别；因此，需要在实验上对成像系统的实际放大倍数值进行精确标定。

一般通过USAF1951分辨力测试板标定成像系统只能给出大致分辨力，且此种方法测量结果运用到实际测量中还有差别。另外，斯坦福大学Kasevich课题组提出了一种在线测量成像系统放大倍数的方法，通过给原子团一个反冲速度，让其中部分原子获得固定的反冲动量，一部分维持原状，经过一定时间后两团原子飞行到成像探测区域，其相对位置可以依据反冲速度和飞行时间理论上计算获得，结合利用CCD相机读取的经成像系统中继后的相对位置，可以算得放大倍数。但是由于反冲速度本身较小(～12mm/s)，因此需要较长的飞行时间(>0.2s)才可以将两团原子分开到可以分辨的水平，而过长的飞行时间，原子回到探测区的速度很大，一般相机的时间分辨为毫秒水平，那么就会产生原子尺度(毫米)的拖尾，影响距离分辨。

综上，现有在线标定方法缺点：时间分辨率不够且分离距离不够导致标定精度不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法，旨在解决现有在线标定成像系统放大倍数的方法精度不高的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置，包括：真空腔体、第一反射镜、第二反射镜以及CCD相机；

所述真空腔体由下至上依次包括原子制备区、探测区以及干涉区；所述原子制备区为多面体结构，上面设有多个窗口；所述探测区为多窗口腔体；所述干涉区为细长管道；所述第一反射镜置于原子制备区下端窗口的正下方，以反射拉曼光，所述第二反射镜正对探测区的另一个窗口，以反射探测光；待标定光学成像系统为一组透镜，正对探测区的一个窗口；所述CCD相机用于对待标定的光学成像系统收集的原子荧光进行成像；

原子制备区的窗口用于为冷却激光提供通道，结合置于原子制备区的反亥姆赫兹线圈将原子制备区内部的原子团冷却并囚禁；控制冷却激光的频率使得被囚禁原子团获得动量，向上做抛物线运动到达干涉区；重复控制原子团上抛，在原子团每次上抛经过探测区时，开启探测光，在所述探测光的作用下原子团受激辐射发出荧光，所述成像系统收集原子发出的荧光信号，以通过CCD相机获取原子团的照片，下一次上抛开启探测光的时间相对上一次上抛开启探测光的时间延后固定的时间间隔；根据多张原子团的照片确定原子团在各个固定时间间隔内相对CCD相机中心的成像位置；

从所述干涉区竖直向下射入拉曼激光，拉曼激光到达第一反射镜后反射；所述拉曼激光作用于原子团，以预设固定频率步进扫描拉曼激光的频率，选择出原子团中不同运动速度的原子，并通过落回探测区的原子的荧光信号确定不同扫描频率下不同运动速度对应的原子数目，得到拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱；基于拉曼谱确定干涉区预设位置处原子团的中心速度；

确定原子团的中心速度后，根据所述拉曼激光开始作用的时间、原子团初始运动时间以及重力加速度确定原子团在开始上抛处的初始运动速度；并根据原子团在开始上抛处的初始运动速度和运动到探测区各个拍照处的时间确定原子团在各个固定时间间隔内相对原子制备区中心的实际位置；根据原子团运动的实际位置和成像位置标定所述光学成像系统透镜组的放大倍数。

在一个可选的示例中，所述拉曼激光中耦合有清除光，用以将原子团中与当前拉曼激光频率无关的运动速度下的原子清除，以在不同拉曼激光频率下，仅有对应运动速度下的原子与探测光作用产生荧光信号。

在一个可选的示例中，基于拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱的谱线展宽和谱线中心测量原子团速度分布和中心速度。

在一个可选的示例中，所述原子团在开始上抛处的初始运动速度v₀为：v₀＝v+gt₁；v为原子团的中心速度，t₁为拉曼激光开始作用的时刻与原子团初始运动时刻的差值，g为重力加速度；

原子团在各个拍照时刻相对原子制备区的位置S_i为：

S_i＝v₀(t+ΔT×(i-1))-(1/2)g(t+ΔT×(i-1))²

根据原子团在各个拍照时刻成像的位置以及通过运动公式计算的实际位置进行线性拟合，得到所述透镜组的放大倍数。

第二方面，本发明提供了一种在线标定成像系统放大倍数的方法，包括如下步骤：

将原子团冷却并囚禁；控制冷却激光的频率使得被囚禁原子团获得动量，向上做抛物线运动到达干涉区；重复控制原子团上抛，在原子团每次上抛经过探测区时，开启探测光，在所述探测光的作用下原子团内的原子受激辐射发出荧光，所述透镜组收集原子发出的荧光信号，通过CCD相机获取原子团的照片，下一次上抛开启探测光的时间相对上一次上抛开启探测光的时间延后固定的时间间隔；根据多张原子团的照片确定原子团在各个固定时间间隔内相对CCD相机中心的成像位置；

竖直向下朝原子团上抛方向射入拉曼激光，后被向上反射；所述拉曼激光作用于原子团，以预设固定频率步进扫描拉曼激光的频率，选择出原子团中不同运动速度的原子，并通过落回探测区的原子的荧光信号确定不同扫描频率下不同运动速度对应的原子数目，得到拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱；基于拉曼谱确定干涉区预设位置处原子团的中心速度；

确定原子团的中心速度后，根据所述拉曼激光开始作用的时间、原子团初始运动时间以及重力加速度确定原子团在开始上抛处的初始运动速度；并根据原子团在开始上抛处的初始运动速度和运动到探测区各个拍照处的时间确定原子团在各个固定时间间隔内相对囚禁位置的实际位置；根据原子团运动的实际位置和成像位置标定所述光学成像系统透镜组的放大倍数。

在一个可选的示例中，所述拉曼激光中耦合有清除光，用以将原子团中与当前拉曼激光频率无关的运动速度下的原子清除，以在不同拉曼激光频率下，仅有对应运动速度下的原子与探测光作用产生荧光信号。

在一个可选的示例中，基于拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱的谱线展宽和谱线中心测量原子团速度分布和中心速度。

在一个可选的示例中，所述原子团在开始上抛处的初始运动速度v₀为：v₀＝v+gt₁；v为原子团的中心速度，t₁为拉曼激光开始作用的时刻与原子团初始运动时刻的差值，g为重力加速度；

原子团在各个拍照时刻相对原子制备区的位置S_i为：

S_i＝v₀(t+ΔT×(i-1))-(1/2)g(t+ΔT×(i-1))²

其中，t为上抛原子团第一次拍照时上抛运动的时间，i表示第i张照片，ΔT为固定时间间隔；

根据原子团在各个拍照时刻成像的位置以及通过运动公式计算的实际位置进行线性拟合，得到所述透镜组的放大倍数。

具体地，在原子团上抛经过探测区时，开启探测光，获取原子团的第一张照片，下一次上抛开启探测光的时间相对上一次上抛开启探测光的时间延迟固定时间间隔ΔT，获取原子团的第二张照片，以此类推，第n次上抛时开启探测光的时间相对第一次上抛开启探测光的时间的延迟(n-1)*ΔT，获取原子团的第n张照片。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法，光学成像系统的放大倍数指的是像的大小和物的大小之比，通过扫描拉曼谱得到原子团速度信息，利用上抛原子的实际运动距离作为尺寸参考，对比原子团上抛的成像距离获取成像系统的放大倍数，由于我们利用微秒级别的脉冲激光来确定时间，可以实现原子干涉精密测量中成像系统放大倍数的高精度在线标定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置结构图；

图2是本发明实施例提供的三维磁光阱结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：Z1为原子制备区，Z2为干涉区，Z3为探测区；A1为制备出的第一原子团，A2为到达干涉区的第二原子团，A3为进入探测区的第三原子团；L1为冷却光，其中L1-1为下三束囚禁激光，L1-2为上三束囚禁激光，L2为拉曼光，L3为探测光；R1为拉曼反射镜，R2为探测反射镜；X为成像系统，C为CCD相机，B为反亥姆赫兹线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于光学领域和原子干涉精密测量领域，本发明提供一种原子干涉仪中用于原子团参数测量的成像系统放大倍数在线标定的方法。放大倍数指的是像的大小和物的大小之比。利用飞行原子的实际运动距离作为尺寸参考，获取成像系统的放大倍数。实现原子干涉精密测量中成像系统放大倍数的高精度在线标定。

针对现有方案分离距离不足和时间分辨不足导致的精度不足的问题，图1是本发明实施例提供的在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置结构图，如图1所示，该装置中：Z1为原子制备区，Z2为干涉区，Z3为探测区；A1为制备出的第一原子团，A2为到达干涉区的第二原子团，A3为进入探测区的第三原子团；L1为冷却光，L2为拉曼光，L3为探测光；R1为拉曼反射镜，R2为探测反射镜；X为成像系统，C为CCD相机。

其中，原子制备区Z1、干涉区Z2和探测区Z3共同构成一个真空腔体。原子制备区Z1为多面体结构，上面开有多个窗口，为原子冷却囚禁提供空间；干涉区Z2为一根细长管道，主要作用是为扫描拉曼谱和原子干涉提供空间，其上端安装玻璃窗口供拉曼激光束L2向下通过干涉区；探测区Z3为多窗口的腔体，为原子探测提供空间，相对的两个窗口分别安装探测激光束L3和反射镜R2，另一垂直方向安装成像系统X和CCD相机。

激光束包括囚禁激光L1，拉曼激光L2，探测激光L3。囚禁激光L1由六束激光构成，如图2所示，L1-1为下三束囚禁激光，L1-2为上三束囚禁激光，安装在原子制备区窗口之上，基于多普勒冷却原理将原子减速并配合反亥姆赫兹线圈B形成的磁场构成磁光阱结构以实现原子囚禁，囚禁光L1中还耦合有部分回泵光，其作用为将自发辐射到不能被进一步冷却的一态原子，回泵到能够继续冷却的二态上；拉曼激光束L2竖直向下通过干涉区，经过原子制备区下窗口后，经垂直于激光束的反射镜R1反射后形成与原子作用的激光束，其功能为扫描激光频率选择出不同速度分布的原子以获得原子中心的速度亦可实现原子干涉获得重力加速度信息，拉曼激光束中还耦合有清除光，使得特定能态的原子获得光子动量被“吹走”；探测激光束L3沿水平方向传播经过探测区Z3窗口后，由垂直于探测光束的反射镜R2反射形成驻波，探测激光束L3照射原子，使原子受激辐射向四周发出荧光，此外探测光还作为曝光时间的基准以提高测量的时间分辨。

探测系统由成像系统X和CCD相机C组成。成像系统X由多个组合凸透镜组成，功能为收集原子发出的荧光成像在相机C上；相机C用于收集和处理原子的荧光信号。

具体操作过程如下：

第一步：制备原子。碱金属样品容器中的原子挥发到原子团制备区Z1，利用三维磁光阱结构将原子A1冷却和囚禁在原子制备区中心。三维磁光阱结构由三对两两互相垂直的囚禁激光束L1和一对反亥姆赫兹线圈B组成，囚禁激光束L1使得原子A1在三个维度上减速，配合反亥姆赫兹线圈B将原子囚禁在原子制备区Z1的中心。

第二步：上抛。降低下三束囚禁激光束L1-1频率使得原子获得动量上抛进入干涉区Z2并做抛物线运动，进入干涉区Z2的原子A2由于延迟关断回泵光而随机处于5S_1/2,F＝2，m_F＝0,±1,±2五个磁子能级，原子除了具有速度外，原子的速度分布对应的温度为μK水平。干涉区密绕有偏置磁场线圈，偏置线圈产生的竖直方向的磁场定义的量子化轴使得原子的五个磁子能级退简并。

第三步：扫描拉曼谱测量原子速度。

拉曼激光束L2的作用为对原子进行能级选择。目的是选出磁量子数为零的原子，其对磁场不敏感，可以减小磁场对干涉的影响。能级选择包括原子的超精细结构能级的选择和磁子能级的选择；调节激光的频率、偏振满足能级选择的条件，以发生5S1/2,F＝2，mF＝0à5S1/2,F＝1，mF＝0的受激拉曼跃迁，其余5S1/2,F＝2，mF＝±1,±2原子被耦合在拉曼激光束L2中的清除光作用跃迁到5S3/2,F’＝3态加速“吹走”，该过程称为“选态”。

选态同时会对原子的速度进行选择，速度选择的配置方式是“多普勒敏感”的(组成拉曼激光的两束激光方向相反偏振互相垂直)，使得沿拉曼激光束L2方向上具有不同速度的原子产生不同的多普勒频移。只有飞行速度产生的多普勒频移与拉曼激光L2的频率共振的原子才可以被选择出来。被选出来的原子的速度展宽与拉曼激光L2的脉冲持续时间有关，脉冲持续时间越长，对应的速度展宽越窄，较窄的速度展宽可以提高干涉条纹对比度。通常的脉冲持续时间为几十微秒。

拉曼激光L2对原子进行速度选择还可以测量出原子团速度分布，称为“扫描拉曼谱”。

具体做法是在选态时以固定频率步进扫描激光频率，选择出不同速度的原子，对选出的原子的荧光信号进行积分，可以得到所选原子相对数目的多少，拉曼谱一般为高斯分布，中心速度的原子数目最多。根据谱线展宽和谱线中心可以测量原子团速度分布和中心速度v。

获得选态脉冲作用时刻原子团的速度v后，根据选态距离上抛的时间t1和重力加速度g，即可获得上抛时刻的速度v₀＝v+gt₁。

第四步：标定。上抛的原子A3经过t时间后到达探测区Z3，以相同的脉冲宽度Δt，和固定的时间间隔ΔT开启探测光L3，获取一系列原子团去程经过探测区的照片，并基于获取的照片确定原子团运动的成像距离S’_i(i＝1,2,3,…)(原子团成像的中心的获取通过对照片的高斯拟合获得)，i是第i张照片，实际位移根据速度位移公式计算S_i＝v₀(t+ΔT×(i-1))-(1/2)g(t+ΔT×(i-1))²。计算时带入初始速度的测量结果和重力加速度的值(重力加速度除了可以通过原子干涉仪测量之外还可以用通过FG5等测量得到，因此不作详细介绍)；S’_i＝β*S_i+b；斜率β即为放大倍数，b是截距，表示实际初始上抛位置在CCD上的位置。由于CCD响应速度的限制，影响了时间的分辨，而探测光响应速度在微秒级别，因此探测光脉冲宽度作为曝光时间，而相机在较长的时间内常开，以保证时间分辨。本发明的优点在于高时间分辨和大尺寸参考，提升了测量精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置，其特征在于，包括：真空腔体、第一反射镜、第二反射镜以及CCD相机；

所述真空腔体由下至上依次包括原子制备区、探测区以及干涉区；所述原子制备区为多面体结构，上面设有多个窗口；所述探测区为多窗口腔体；所述干涉区为细长管道；所述第一反射镜置于原子制备区下端窗口的正下方，以反射拉曼光，所述第二反射镜正对探测区的另一个窗口，以反射探测光；待标定光学成像系统为一组透镜，正对探测区的一个窗口；所述CCD相机用于对待标定的光学成像系统收集的原子荧光进行成像；

原子制备区的窗口用于为冷却激光提供通道，结合置于原子制备区的反亥姆赫兹线圈将原子制备区内部的原子团冷却并囚禁；控制冷却激光的频率使得被囚禁原子团获得动量，向上做抛物线运动到达干涉区；重复控制原子团上抛，在原子团每次上抛经过探测区时，开启探测光，在所述探测光的作用下原子团受激辐射发出荧光，所述成像系统收集原子发出的荧光信号，以通过CCD相机获取原子团的照片，下一次上抛开启探测光的时间相对上一次上抛开启探测光的时间延后固定的时间间隔；根据多张原子团的照片确定原子团在各个固定时间间隔内相对CCD相机中心的成像位置；

从所述干涉区竖直向下射入拉曼激光，拉曼激光到达第一反射镜后反射；所述拉曼激光作用于原子团，以预设固定频率步进扫描拉曼激光的频率，选择出原子团中不同运动速度的原子，并通过落回探测区的原子的荧光信号确定不同扫描频率下不同运动速度对应的原子数目，得到拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱；基于拉曼谱确定干涉区预设位置处原子团的中心速度；

确定原子团的中心速度后，根据所述拉曼激光开始作用的时间、原子团初始运动时间以及重力加速度确定原子团在开始上抛处的初始运动速度；并根据原子团在开始上抛处的初始运动速度和运动到探测区各个拍照处的时间确定原子团在各个固定时间间隔内相对原子制备区中心的实际位置；根据原子团运动的实际位置和成像位置标定所述光学成像系统透镜组的放大倍数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拉曼激光中耦合有清除光，用以将原子团中与当前拉曼激光频率无关的运动速度下的原子清除，以在不同拉曼激光频率下，仅有对应运动速度下的原子与探测光作用产生荧光信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，基于拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱的谱线展宽和谱线中心测量原子团速度分布和中心速度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原子团在开始上抛处的初始运动速度v₀为：v₀＝v+gt₁；v为原子团的中心速度，t₁为拉曼激光开始作用的时刻与原子团初始运动时刻的差值，g为重力加速度；

原子团在各个拍照时刻相对原子制备区的位置S_i为：

S_i＝v₀(t+ΔT×(i-1))-(1/2)g(t+ΔT×(i-1))²

其中，t为上抛原子团第一次拍照时上抛运动的时间，i表示第i张照片，ΔT为固定时间间隔；

根据原子团在各个拍照时刻成像的位置以及通过运动公式计算的实际位置进行线性拟合，得到所述透镜组的放大倍数。

5.一种在线标定成像系统放大倍数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将原子团冷却并囚禁；控制冷却激光的频率使得被囚禁原子团获得动量，向上做抛物线运动到达干涉区；重复控制原子团上抛，在原子团每次上抛经过探测区时，开启探测光，在所述探测光的作用下原子团内的原子受激辐射发出荧光，所述透镜组收集原子发出的荧光信号，通过CCD相机获取原子团的照片，下一次上抛开启探测光的时间相对上一次上抛开启探测光的时间延后固定的时间间隔；根据多张原子团的照片确定原子团在各个固定时间间隔内相对CCD相机中心的成像位置；

竖直向下朝原子团上抛方向射入拉曼激光，后被向上反射；所述拉曼激光作用于原子团，以预设固定频率步进扫描拉曼激光的频率，选择出原子团中不同运动速度的原子，并通过落回探测区的原子的荧光信号确定不同扫描频率下不同运动速度对应的原子数目，得到拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱；基于拉曼谱确定干涉区预设位置处原子团的中心速度；

确定原子团的中心速度后，根据所述拉曼激光开始作用的时间、原子团初始运动时间以及重力加速度确定原子团在开始上抛处的初始运动速度；并根据原子团在开始上抛处的初始运动速度和运动到探测区各个拍照处的时间确定原子团在各个固定时间间隔内相对囚禁位置的实际位置；根据原子团运动的实际位置和成像位置标定所述光学成像系统透镜组的放大倍数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述拉曼激光中耦合有清除光，用以将原子团中与当前拉曼激光频率无关的运动速度下的原子清除，以在不同拉曼激光频率下，仅有对应运动速度下的原子与探测光作用产生荧光信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于拉曼激光与原子团相互作用的拉曼谱的谱线展宽和谱线中心测量原子团速度分布和中心速度。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述原子团在开始上抛处的初始运动速度v₀为：v₀＝v+gt₁；v为原子团的中心速度，t₁为拉曼激光开始作用的时刻与原子团初始运动时刻的差值，g为重力加速度；

原子团在各个拍照时刻相对原子制备区的位置S_i为：

S_i＝v₀(t+ΔT×(i-1))-(1/2)g(t+ΔT×(i-1))²

其中，t为上抛原子团第一次拍照时上抛运动的时间，i表示第i张照片，ΔT为固定时间间隔；

根据原子团在各个拍照时刻成像的位置以及通过运动公式计算的实际位置进行线性拟合，得到所述透镜组的放大倍数。

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