CN116194732A

CN116194732A - 用于测量表示冷原子的布居数的量的装置和相关联的传感器

Info

Publication number: CN116194732A
Application number: CN202180051931.2A
Authority: CN
Inventors: 卡洛斯·加里多·阿尔扎尔
Original assignee: Ba Liguanxiangtai; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Sorbonne Universite
Current assignee: Ba Liguanxiangtai; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Sorbonne Universite
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-05-30
Also published as: EP4168736B1; FR3111732B1; US20230332892A1; FR3111732A1; EP4168736A1; WO2021259811A1

Abstract

本发明涉及一种用于测量表示冷原子的布居数(N)的量(Γ_A)的装置(1、2)，所述冷原子位于待分析的冷原子云(CL)中，该装置包括：‑微波源(S)，被配置成以预定信号频率(fs)生成入射信号(SMWi)，‑被配置成传播所述入射信号的微波波导(GO)和被配置成将所述入射信号发射到所述冷原子云及其环境的天线(Ant)，所述天线和所述微波波导还能够恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的原子反射信号(SMWra)，并且所述原子反射信号在波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，‑功分装置(SS)，被耦合到所述微波波导并且被配置成提取所述原子反射信号的至少一部分，‑检测器(Det)，被配置成检测由所述功分装置提取的所述原子反射信号，表示所述冷原子的布居数(N)的所述量是从所述原子反射信号(SMWra)的检测值(S_A)以及从被称为参考反射信号(SMWr0)的、在不存在所述云的情况下由环境反射的信号的检测值(S₀)获得的。

Description

用于测量表示冷原子的布居数的量的装置和相关联的传感器

技术领域

本发明涉及基于冷原子云的传感器的领域，并且更具体地，涉及一种用于实现检测处于预定原子态的原子的数量、产生所需量的测量结果的步骤的装置。

背景技术

冷原子传感器已经在测量时间(时钟)、重力场(重力计)、加速度(加速度计)、旋转(陀螺仪)和磁场(磁力计)方面表现出优异的性能。它们也可用于光谱学领域中。

为了进行测量，冷原子传感器需要在真空室中获得冷原子云，也就是说在空间的三个方向上已经减速的原子的云。云中的原子的温度通常低于10μK。它们以给定的超精细态进行制备。

对于传感器的实现，区别在于：

-制备原子的步骤，包括产生上述云；

-基于云的实际干涉测量步骤(时钟、加速度、旋转)。一代冷原子传感器使用原子微电路或原子芯片，其包括用于引导/捕获靠近其表面的一个或更多个冷原子云的微线。

-检测步骤，包括将在测量期间由原子波函数累积的干涉相位转换为两个塞曼(Zeeman)子能级(超精细能级)之间的布居数差，然后测量该布居数差，最后从该布居数差导出所需的物理量。根据现有技术，这种读取是使用照射冷原子云的检测激光进行的。

待检测的原子是那些被冷却然后在原子芯片的微电路上被操纵的原子。首先在给定的超精细基态下进行制备，它们以3和约100μm之间的距离h被引导或捕获在微电路上，以便产生用于测量惯量的原子干涉仪。

图1中示出了用于加速度计/陀螺仪惯性传感器的原子芯片Ach0的一个示例。这里产生用于测量该惯量的原子干涉仪。芯片的部分表面形成测量平面13。图1示出了由微电路MC生成的磁导G的横截面。微电路例如是磁四极子(通过三条线的集合或者甚至通过5条线或更多线创建)、共面微波波导和导线等的集合。一般来说，微电路被适当供电，例如通过原子芯片外部的电压发生器和/或DC和/或AC(RF)发生器或通过外部磁场供电。

在磁导G中，两个原子云CL1和CL2被引导以便沿路径16在相反方向上传播。磁导G由芯片(例如磁导四极子)的线生成，以便在距测量平面13的预定距离h处引导两个冷原子云。磁导G对于陀螺仪是圆形的并且对于加速度计是线形的。对于专门的时钟测量，云不会移动。旋转速度Ω由陀螺仪围绕垂直于芯片1的测量平面13的轴线Z测量。加速度在线形磁导的方向上沿其轴线(图1中的Y)测量。

在以角速度Ω旋转的参考系中，由两个反向旋转的物质波之间的萨格纳克(Sagnac)效应引起的相移θ由下式给出：

其中A是路径中的内部面积(area inscribed in the path)，m是原子的质量并且

是约化的普朗克(Planck)常数。

加速度测量中的相移Φ由下式给出：

Φ＝2kaT² (2)

其中k是用于分离(发射)、偏转和重组原子云的激光的波矢量，2T是干涉仪的持续时间并且a是要测量的加速度。

对于加速度测量，两个云的路径是一维的，对于旋转测量，路径是二维的，并且对于时钟测量，云不移动。

例如，云CL1包括速度为v1＝+v的处于状态|a>的冷原子，并且云CL2包括速度为v2＝-v的处于状态|b>的冷原子。例如，在铷87的情况下，原子能级|a>和|b>根据速度而间隔开

但是它们对应于相同的内部状态|F＝2,mF＝+2>(详见下文)。

当两个云已经完成(take)闭合路径至少一次，或者对于线形情况完成往返行程时，它们在起点处重组(相位转换)，然后形成两个待分析的云。

在传感器中，原子芯片1被放置在真空室中，该真空室例如使用离子泵保持在真空下并且优选地包括磁屏蔽。

真空室还包括冷原子源，其包括：

原子源(分发器)，例如由输送铷蒸气的加热丝形成，

(磁-光)初级原子陷阱(primary atom trap)，用于预冷却和在芯片附近放置初始的冷原子云(制备步骤)。

真空室还包括在芯片Ach0外部的磁场源GM。这使在测量平面13上方至少为高度h的量级的厚度上施加均匀且稳定的磁场B0成为可能。有利地，均匀磁场的方向平行于测量平面。

冷原子传感器中使用的原子使得它们具有所谓的“超精细的”两个基本原子能级，也就是说在频率方面以千兆赫兹的量级的量f_H分隔，这非常稳定并且众所周知。这些原子通常是铷87，其f_H＝6.834GHz，但其他碱金属原子诸如铷85(f_H＝3.0GHz)、铯(f_H＝9.2GHz)、钠(f_H＝1.7GHz)或钾40(f_H＝1.3GHz)或者稀土离子诸如镱(f_H＝12.6GHz)具有相同类型的原子结构，并且可被使用。当两个基本原子能级受到均匀磁场B0的影响时，它们会分裂为塞曼子能级，每个子能级分隔开取决于所施加的磁场(通常为每高斯几百kHz)的频率f0。众所周知，该偏置场对传感器的操作是有用的。

对于铷，最低超精细能级被称为F＝1，最高能级被称为F＝2，并且图2示出了由量m_F的值标识的各种相关联的塞曼子能级。对于F＝1，m_F可以取值-1、0、+1，并且对于F＝2，m_F可以取值-2、-1、0、+1、+2。根据F的值和m_F的值来标识原子态，例如|F＝1,m_F＝-1>。

图2还示出了用于惯性传感器的操作的铷87的三个已知原子跃迁Tn、Tm和Tn(被称为σ+)，并且有：

-|F＝2,m_F＝+2>和|F＝1,m_F＝+1>之间的跃迁Tn，频率为f_T＝f_H+3f0

-|F＝2,m_F＝+1>和|F＝1,m_F＝0>之间的跃迁Tm，频率为f_T＝f_H+f0

-|F＝2,m_F＝0>和|F＝1，m_F＝-1>之间的跃迁T1，频率为f_T＝f_H-f0

在图1中的传感器的操作期间，原子的起始状态是速度为零的塞曼子能级之一(例如|F＝2，mF＝+2>)。它是基于传感器和所需的测量类型选择的。

使用产生布拉格(Bragg)跃迁的激光，处于起始状态的原子的速度被修改以便创建具有速度v1＝+v的状态|a>和具有速度v2＝的状态|b>-v。因此，内部状态仍然是相同的塞曼子能级，但是现在有在速度方面有区别的两个状态|a>和|b>。

借助于原子芯片传感器测量给定物理量(时钟、加速度、旋转、磁场)的方法包括上述步骤(制备、测量、检测)中的若干步骤。更具体地，由如图1所示的冷原子传感器实现的各个步骤在下面详述并且在图3中示出。

制备步骤E1包括生成冷原子云，包括由源发射所述原子、冷却所述原子、在磁势最小值下将所述原子初始化为用于引导云的至少一个原子态，例如|F＝2，m_F＝+2>。

测量步骤包括一个(E2)或两个(E2和E3)子步骤：

在步骤E2中，通过冷原子的速度v1的第一原子状态|a>和速度v2的第二原子状态|b>之间的相干叠加来初始化原子态。

|a>＝|F＝2,m_F＝+2；v1＝+v>；|b>＝|F＝2,m_F＝+2；v2＝-v>。

该初始化由被称为“π/2”的第一脉冲执行，它制备50％的处于状态|a>的原子和另外50％的处于状态|b>的原子。在该脉冲之后，产生两个云CL1和CL2，它们包括分别处于状态|a>和|b>并且速度相反的原子，并且沿着预先定义的路径在空间上分离。

在步骤E3中，原子的速度使用被称为“π”的第二脉冲而被交换，以便使它们返回到起点。这样，状态|a>的速度为-v，而状态|b>的速度为+v。对于圆形磁导G的情况，只有它们到达起点是预期的，到达时间由圆形磁导的半径和速度v确定。

检测步骤还包括多个子步骤。

一旦每个云已经返回到起点，在步骤E4中，就使用第三“π/2”脉冲来重组两个原子速度状态以便混合两个传播状态。在重组之后，处于自由传播模式的两个云CL1和CL2再次分离，然后形成两个待分析的云。

一般来说，在“π/2”脉冲(分离或重组脉冲)之后：

1)云CL1总是具有速度v1并且包含N1个原子。

2)云CL2总是具有速度v2并且包含N2个原子。

然后，在最后的“π/2”脉冲之后，在重组中：

1)云CL1包含N1个原子，其中p％的原子在该脉冲之前位于云CL1中并且(100-p)％的原子在该脉冲之前位于云CL2中。

2)云CL2包含N2个原子，其中(100-p)％的原子在该脉冲之前位于云CL1中并且p％的原子在该脉冲之前位于云CL2中。

换言之，在由干涉仪执行的测量结束时，在最后的“π/2”脉冲之前，速度为v1的原子的数量和速度为v2的原子的数量的计数与它们的源(云CL1或CL2)无关。

在其他类型的传感器，诸如文献WO 2017089489中描述的陀螺仪中，在重组期间和重组之后，原子云在其初始位置被捕获(也被称为被停放)，那么待分析的这两个云是暗合的(coincident)，并且仅有一个冷原子云要被分析。此处微电路包括两个共面微波波导和承载DC电流的导线，它们使两个云在矩形路径上移动。

其中

是所需相位，而

是定义传感器的工作/操作点的相位。

在步骤E5'中，测量云CL1的处于状态|a>的原子数(布居数)N1和云CL2的处于状态|b>的原子数(布居数)N2，这使计算概率Prob1和Prob2成为可能。这些分别是处于状态|a>和|b>的原子数与参与测量的原子总数之间的比率。接着，根据Prob1和Prob2确定相位。

最后，在步骤E6中，根据相位确定所需的物理量。

根据现有技术，使用检测激光执行步骤E5'，即在原子干涉仪的输出端检测信号，该检测激光照射在此被称为CL的待分析的冷原子云。使用了两种方法。

图4所示的第一方法包括使用谐振激光束FL(经由光学跃迁激发)照射待分析的云并且在检测器上对云进行成像。每个能级吸收的辐射不同，并且通过在CCD相机上检测穿过原子的激光束FL的透射，通过云的吸收获得图像。然后这给出每个能级中的原子数。

在图5所示的第二方法中，通过使用波束FL'(经由光学跃迁激发)照射原子云使其遭受谐振激光激发，并且在光电二极管D0上收集根据处于发荧光的原子能级中的原子数的由云发射的荧光信号。

这两种方法呈现的主要缺点在于：它们是破坏性的。这意味着，要重新开始测量周期，必须制备新的冷原子云。这导致物理量测量中的滞后时间。这些滞后时间限制了传感器的稳定性(迪克(Dick)效应)并且限制了传感器的带宽(通常为1Hz)。

此外，这两种方法需要复杂且非常庞大的光学系统来有效地检测原子。它们与低功耗的紧凑型惯性传感器的开发不相容。

本发明的一个目的是通过提出一种方法来纠正上述缺点，所述方法用于测量表示处于预定原子态的原子的布居数的量，所述原子位于冷原子云中，所述测量是非破坏性的和非光学的。

发明内容

本发明涉及一种用于测量表示占据预定原子能级的冷原子的布居数的量的装置，所述冷原子位于待分析的冷原子云中，该装置包括：

-微波源，被配置成以预定信号频率生成入射信号，

-微波波导，被配置成传播所述入射信号，和天线，被配置成将所述入射信号发射到所述冷原子云及其环境，

所述天线和所述微波波导还能够恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的原子反射信号，并且所述原子反射信号在波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，

-功分装置，被耦合到所述微波波导并且被配置成提取至少一部分的所述原子反射信号，

-检测器，被配置成检测由所述功分装置提取的所述原子反射信号，

表示所述预定原子能级的冷原子的布居数的所述量是从所述原子反射信号的检测值以及从被称为参考反射信号的、在不存在所述云的情况下由环境反射的信号的检测值获得的。

根据一个实施方式，所述表示量与所述布居数成比例。

根据一个实施方式，所述表示量被称为原子反射系数，并且定义如下：

其中，S_A是所述原子反射信号的检测值并且S₀是所述参考反射信号的检测值。

根据一个变型，所述检测器被配置成检测反射的原子功率和参考功率，所述表示量是根据所述原子功率和所述参考功率确定的。

根据另一变型，所述检测器被配置成检测反射的原子幅度和参考幅度，相关联的所述表示量是根据所述幅度确定的，和/或检测原子相位和参考相位，相关联的所述表示量是根据所述相位确定的。

优选地，所述功分装置被配置成提取所述入射信号的一部分并且所述检测器被配置成检测所述入射信号的所述一部分并且测量所述原子相位和所述参考相位。

优选地，所述微波波导和所述天线被集成在原子芯片上。

根据一个实施方式，信号频率fs使得：

fs≥fT+f0/2

其中，fT是可能的跃迁中最高的检测跃迁的频率，并且f0是所述冷原子的两个塞曼子能级的分隔频率。

根据另一方面，本发明涉及一种冷原子传感器，包括：

-原子芯片，包括被配置成生成磁导和原子源的微电路，所述原子芯片和所述原子源被放置在真空室中，

所述传感器被配置成生成包括具有第一原子能级和第二原子能级的原子的初始的冷原子云、生成并且在适用的情况下沿预定路径在相反方向上移动具有所述第一原子能级的冷原子云和具有所述第二原子能级的冷原子云、以及重组所述冷原子云以生成至少一个待分析的冷原子云，

所述冷原子传感器还包括：

-至少一个根据本发明的测量装置，其被配置成测量表示所述第一原子能级的布居数的第一量和表示所述第二原子能级的布居数的第二量、根据所表示的所述第一量和第二量确定的物理量。

优选地，所述测量装置的所述微波波导和所述天线被集成在所述原子芯片上，并且所述天线靠近所述待分析的冷原子云的位置。

根据一个实施方式，所述测量装置的所述功分装置也被集成在所述原子芯片上。

根据一个实施方式，根据本发明的传感器被配置成生成第一冷原子云和第二冷原子云以在运动中进行分析，并且包括第一测量装置和第二测量装置，所述第一测量装置和第二测量装置分别包括集成在所述芯片上的第一波导和第二波导以及第一天线和第二天线，所述第一测量装置被配置成测量表示所述第一云的所述第一量并且所述第二测量装置被配置成测量表示所述第二云的所述第二量。

根据又一方面，本发明涉及一种用于测量表示占据预定原子能级的冷原子的布居数的量的方法，所述冷原子位于待分析的冷原子云中，

该方法包括以下步骤：

A以预定信号频率生成微波入射信号，

B在微波波导中传播所述入射信号，并且在适用的情况下将所述入射信号发射到所述冷原子云，

C恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的被称为原子反射信号的反射信号，并且所述反射信号在所述波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，

D提取所述原子反射信号的至少一部分，

E检测提取的所述原子反射信号，

F在存在所述冷原子云的情况下执行步骤A至E之前或之后，在不存在所述云的情况下执行步骤A至E，这样在不存在所述云的情况下，由云演化的环境对入射信号的反射产生被称为参考反射信号的反射信号，

G根据所述原子反射信号的值和所述参考反射信号的值确定表示待分析的原子能级的冷原子的布居数的所述量。

下面的描述呈现了本发明的装置的若干示例性实施方式：这些示例不限制本发明的范围。这些示例性实施方式呈现了本发明的基本特征和与所考虑的实施方式相关的附加特征。

在下面的详细描述中并且参考附图，本发明将被更好地理解并且本发明的其他特征、目的和优点将变得明显，这些附图通过非限制性示例的方式给出并且其中：

[图1]已经引用的图1示出了用于加速度计/陀螺仪惯性传感器的原子芯片。

[图2]已经引用的图2示出了铷87的各种塞曼子能级。

[图3]已经引用的图3示出了由冷原子传感器实现的主要步骤。

[图4]已经引用的图4示出了第一光学检测方法。

[图5]已经引用的图5示出了第二光学检测方法。

[图6]图6示出了根据本发明的用于测量表示冷原子的布居数的量的装置。

[图7]图7示出了表示布居数的量Γ_A根据布居数的变化。

[图8]图8示出了作为询问(interrogation)频率的函数的通过询问冷铷87原子云获得的表示量Γ_A的绝对值的变化。

[图9]图9描述了铷87的塞曼能级和为了确定信号频率而要在检测跃迁上增加的频率偏移。

[图10]图10示出了用于提取入射信号的一部分的功分装置的变型。

[图11]图11示出了集成在原子芯片上并且耦合到同样集成的3线共面微波波导的功分装置的一个示例。

[图12]图12示出了根据本发明的陀螺仪惯性传感器的第一示例。

[图13]图13示出了根据本发明的加速度计惯性传感器的第二示例。

[图14]图14示出了图13中描述的传感器的一个实施方式，其包括两个如图11中描述的功分装置，允许访问(access)原子反射信号和参考反射信号的相位测量。

具体实施方式

图6示出了用于测量表示占据被称为|e>的预定原子能级并且位于待分析的冷原子云CL中的冷原子的布居数N的量的装置1。该装置1包括被配置成以预定信号频率fs生成入射信号SMWi的微波源S、耦合到源S并且被配置成传播入射微波(MW)信号的微波波导GO和被配置成将入射信号发射到待分析的冷原子云CL的天线Ant。根据一个优选实施方式，正是微波波导GO的端部用作天线(波导的端部的形状、将线连接到该端部的方式)。根据另一实施方式，天线Ant是耦合到微波波导GO的附加部件。因此，术语天线指的是微波波导GO的发射部分或者执行该任务的附加部件，当它存在时就这样称呼。

天线Ant和微波波导GO还能够恢复由所述云及其环境对入射信号的反射产生的原子反射信号SMWra，并且其在波导中在与入射信号相反的方向上传播。该反射信号是由原子云的存在引起的辐射阻抗的改变而产生的。实际上，天线发射的微波功率依赖于所述天线辐射到的介质。这种依赖性由介质的辐射阻抗限定并且是对于其是特定的。因此，并不是从源S发送到天线的入射信号SMWi的所有微波功率都会被天线周围的介质吸收。部分发送功率被反射并且被原子反射信号SMWra承载。该信号SWMra包含关于所述天线辐射到的介质的信息，并且发明人已经证实和验证，该信息具体包括表示原子原子数和原子所处的原子态的量。

辐射阻抗的源以及因此也是原子反射信号的源说明如下。原子以高度简化的方式由磁偶极矩表征，它们可以被视为与微波场的磁分量相互作用的磁体。这种相互作用依赖于原子的内部状态。在铷87原子的情况下，能够与场耦合的是基本超精细态的塞曼磁状态。因此，信号频率fs的微波磁场激发形成(make up)原子的材料(例如铷87)的确定原子跃迁T的磁偶极子，其效率尤其依赖于信号频率fs和跃迁频率之间的差。该原子磁偶极子转而发射微波场，一旦微波场被天线拾取，就会生成原子反射信号SMWra。入射信号SMWi和反射信号SMWra在波导GO中叠加，并且产生反射系数，该系数量化天线在存在原子的情况下的辐射阻抗。在Alexander E.Krasnok等人的公开文献“An antenna model for the Purcelleffect(用于珀塞尔效应的天线模型)”(自然–科学报告,2015年8月)中讨论了辐射阻抗的物理源(physical origin)。

换言之，在存在原子的情况下，微波生成器S所见的阻抗由场的磁分量和原子的磁矩之间的耦合限定。该耦合依赖于原子的总数、它们的内部状态、信号频率(原子询问频率)相对于超精细态之间的原子跃迁之间的失配、原子的速度和天线辐射的功率。

为了访问该反射信号，根据本发明的装置还包括耦合到微波波导GO并且被配置成提取反射信号的至少一部分的功分装置SS，以及被配置成检测由功分装置提取的反射信号的检测器Det。

除了在存在原子云的情况下的原子反射信号SMWa外，还以相同的方式检测在不存在所述云CL的情况下由环境反射的信号，并且该信号被称为参考反射信号SMWr0。发明人已经证实，表示所述预定原子能级的冷原子的布居数N的量是从原子反射信号的检测值P_A和参考反射信号的检测值P₀获得的。因此，原子的布居数N与存在原子和不存在原子的情况下的辐射阻抗相关。

为了装置的最优操作，云中的原子被放置在天线的近场中，处于允许以由所考虑的应用限定的良好信噪比来观测反射信号的距离。该距离通常在几微米和500μm之间。

根据本发明的装置与上述现有光学装置相比具有许多优点。

这使直接获得表示处于预定原子态的原子数的电信号成为可能。

根据本发明的装置可以根据应用以不同的方式使用。

对于根据本发明的装置在光谱学中的应用，直接获得作为信号频率fs的函数的表示给定能级上的原子数的量，使通过改变该询问频率来更容易地定位跃迁的频率成为可能(参见下文)。

对于该装置在惯性传感器中的应用以及更一般地在原子干涉仪中的应用，通过根据本发明的装置1的集成使得这些系统的生产更容易。

检测是非破坏性的，使得使用同一原子云进行多次测量(例如惯性测量)成为可能。因此，在相当于冷原子样本的寿命的持续时间上，制备时间(冷却)对干涉仪的滞后时间的贡献可以被减少/消除。如上文所说明的，滞后时间的存在限制了惯性传感器的稳定性。使用非破坏性测量，该限制被克服，使例如在相对长的持续时间内实现自主惯性导航成为可能。

由于它们的固有性质，现有技术的冷原子惯性传感器由于原子的冷却而具有有限的带宽，通常被限制在1Hz。根据本发明的测量装置使对一个相同的冷原子样本连续进行多次非破坏性测量成为可能的可能性增加了传感器的带宽。

根据本发明的装置特别适用于使用原子芯片的系统(诸如惯性芯片传感器，上文描述了其一个示例)，其中要检测的原子是那些被冷却然后在原子芯片的微电路上被操纵的原子。在该实施方式中，根据本发明的装置的微波波导GO和天线Ant被集成在原子芯片上。

如上文所说明的，首先在给定的超精细基态下制备冷原子，然后在微电路上在距离h处引导或捕获冷原子，以便产生用于测量惯量的原子干涉仪。这里的波导GO优选为在芯片上微加工的共面微波波导。该波导由最少三条彼此分隔给定距离d的微线形成。微线可以沿着直线或曲线或预期应用所需的任何其他图案。对于最少三线配置的情况，外侧的两条线连接到微波源的地，并且中心线承载有源信号。

然而，也可以使用其他类型的波导，特别是其制造与基于沉积或基于蚀刻的微制造技术兼容的波导，诸如微带线。

波导GO的制造工艺与用于制造微电路MC的制造工艺基本相同，从而简化了传感器的制造。

波导GO通常在与微电路的生成磁导G的芯片平面不同的芯片平面中产生，从而可以使天线尽可能靠近云，例如通过将天线(其可以是波导GO的端部)定位成与云的路径一致。

由集成在芯片上的根据本发明的装置进行的检测使显著减小惯性传感器的尺寸成为可能。这就消除了用于有效检测原子的复杂且通常相对笨重的光学系统。这也消除了CCD相机，其大的尺寸由信号整形(将像素强度转换为电压)所需的电子装置限定。这种尺寸上的大幅减小与制造的简化的结合为该类型的传感器/干涉仪的工业生产开辟了道路。

根据本发明的测量/检测装置的集成特性允许从一个装置到另一个装置的良好再现性。

通过对入射信号和原子云之间的相互作用进行建模，发明人证实了被询问能级中的原子数是如下定义的表示量Γ_A的函数：

其中S_A是原子反射信号的检测值并且S₀是参考反射信号的检测值。该量Γ_A被称为原子反射系数。

根据第一实施方式，检测到的信号是微波功率P。

在这种情况下，系数Γ_A被写为Γ_AP，是实数并且被写为：

其中P_A是原子反射功率并且P₀是参考反射功率。

这里的检测器Det是微波功率检测器。

根据第二实施方式，检测到的信号是电压(电信号的幅度和相位)。波导GO传播微波信号，并且因此电压V_A和V₀可被写成下式：

以及

其中：

V_A0是原子反射幅度，

V₀₀是参考反射幅度，

是入射信号和原子反射信号之间的相对相位，称为原子相位，并且

Φ₀是入射信号和参考反射信号之间的相对相位，称为参考相位。

这些电压V_A和V_O可以由相位矢量(相量)表示。

然后将Γ_AV和

定义为分别与幅度和相位的测量结果相关联的表示量：

检测器Det在这里被配置成分别检测原子反射幅度V_A0和参考反射幅度V₀₀，相关联的表示量Γ_AV根据所述幅度V_A0和V₀₀确定，和/或分别检测原子相位

和参考相位

相关联的表示量

根据所述相位

和

确定。

用于测量检测到的(原子或参考)微波信号的幅度和相位的检测器Det是矢量网络分析仪或相位-幅度检测器(参见下文)。

同时测量Γ_AV和

使获得特征量Γ_A的两个值成为可能，从而提高确定该量的精度。

发明人还证实，在式(6)(以及式(7)和(8)，因为涉及同一量，以三种不同的方式测量)中定义的表示量Γ_A和布居数N之间存在比例关系的一级近似。图7中的曲线70描述了值Γ_A根据N变化的一个示例。下式适用：

Γ_A ＝ K. N (9)

其中K是比例因子。

曲线70是使用功率作为检测量计算的理论曲线。感兴趣的条件是：云尺寸＝1mm；云温度＝2μK；跃迁Tn|F＝2,mF＝+2>到|F＝1,mF＝+1>，信号频率fs＝0.999f_Tn＝0.999.(f_H+3f0)。

比例因子K是所选择的信号频率fs、由该信号频率耦合的原子跃迁、原子种类、天线近场的形状因子(取决于所选择的天线几何形状)的函数。

当需要确定布居数N的准确值时，针对根据本发明的给定装置，可以借助于校准一劳永逸地确定该因子K。

然而，在许多应用中，布居数的准确值不是必需的，并且相关信息是从表示布居数N的量Γ_A提取的。

在光谱学中，可以从作为询问频率fs的函数的Γ_A的变化推导出相关信息。通过在询问频率fs的集合上询问冷铷87原子云获得的Γ_A(由式(6)定义)的一个示例性变化如图8(曲线80)所示。系数Γ_A根据检测器Det测量的反射的原子功率和参考功率确定。对于这条曲线，云包括10⁴个原子，并且从云到原子芯片的距离为h＝5μm。

可以看出，铷87的众所周知的跃迁Tl、Tm和Tn(参见图2)清晰地出现，并且它们各自的频率被识别。针对等于已知跃迁频率的频率fs的值，Γ_A的值被修改：确实存在原子反射系数Γ_A对入射频率的敏感性。

对于惯性传感器应用，也没有必要确定布居数的准确值。当需要分析两个云CL1和CL2时，确定原子能级|a>的布居数N1的量Γ_A1并且确定原子能级|b>的布居数N2的量Γ_A2。

为此优选使用根据本发明的两个测量装置(进一步参见下文)。由于N和Γ_A之间存在比例因子K，在表示占用概率的式(3)和(4)中，在分子和分母之间简化，并且根据Γ_A1和Γ_A2直接推导出prob1和prob2：

当在自由传播模式下存在两个待分析的云CL1和CL2时，根据本发明的装置执行的检测优选地作为“飞行时间”检测来执行。重组的地点和时间不是检测的地点和时间。待分析的云移动，接近检测器，从前面经过(检测最大值)并且移开。最优检测时间不容易确定。在这种情况下，原子反射信号和参考反射信号在确定的时间间隔Δt上被检测为时间的函数，为了检测原子反射信号，确定的时间间隔Δt覆盖原子云靠近天线通过。然后测量原子信号和参考信号的积分。

当重组发生在不再运动的捕获云上时(例如上述文献W02017089489中描述的传感器)，可以使用根据本发明的单个装置在两个不同的时间测量两个表示量Γ_A1和Γ_A2。装置的天线Ant应尽可能靠近待分析的捕获云的位置。

在干涉仪应用中，当测量Γ_AP时，可以根据测量目的以各种方式选择询问频率fs。

当需要具有最大信噪比的测量时，选择信号频率fs以便与给定的原子跃迁进行谐振(图8中的峰)。这样信号是明显的，但是该配置会最大程度地干扰布居数N1和N2，这将不允许原子被重新用于后续的测量。

当需要降低测量的破坏性时，选择更加远离谐振的频率fs。测量的破坏性被理解为原子的塞曼态在施加频率fs的检测信号之后的变化，也就是说原子数N1或N2的改变(干涉仪应用)。

测量Γ_AV和/或

而不是Γ_AP的一个好处是进行既相对具有非破坏性又灵敏的测量。为此，选择信号频率以避免谐振并且位于跃迁峰(图8)的中间。该配置产生了良好的信噪比和最小的布居数干扰。

因此，询问待分析的原子云CL的信号频率fs的选择取决于应用和所考虑的传感器的类型。

对于根据本发明的装置在光谱学中的应用，在给定范围上扫描该频率以识别跃迁(参见图8)。

对于惯性传感器应用，并且当需要具有低破坏性的测量时，为了能够重新使用原子，频率fs的选择取决于待测量的原子态|e>和通过选择与|e>相关联的检测能级|d>而允许的跃迁(称为σ+)。

例如：

对于|e>＝|F＝2,m_F＝+2>，选择|d>＝|F＝1,m_F＝+1>(图2中的跃迁Tn)。

对于|e>＝|F＝2,m_F＝+1>，选择|d>＝|F＝1,m_F＝0>(图2中的跃迁Tm)。

对于|e>＝|F＝2,m_F＝0>，选择|d>＝|F＝1,m_F＝-1>被(图2中的跃迁T1)。

如上文所说明的，频率fs在这种情况下不等于用于检测(谐振)的跃迁频率。间距足够大，但不能过大以便保持可检测的反射信号。有必要在测量的破坏性和灵敏度之间找到折衷。在所有情况下，频率fs均应大于可能的跃迁中的最高的检测跃迁的频率，称为f_T，以便避免原子从一个超精细态转移到另一个超精细态。应满足以下关系：

fs ≥ f_T + f0/2 (12)

其中f0是所述冷原子的两个塞曼子能级的分隔频率。

为了符合这种关系，图9描述了要在相关联的检测跃迁Tj上增加的用于满足关系(12)的频率偏移Δj。

对于作为最高跃迁的跃迁Tn(测量|e>＝|F＝2,m_F＝+2>)，间隙Δn≥f0/2。

对于跃迁Tm，Δm≥2.f0+f0/2，

对于Tl，Δl≥4.f0+f0/2

Δ的条件因此取决于所选择的检测能级|d>。

频率fs可以通过校准步骤来确定，在该校准步骤中fs是变化的，观测作为fs的函数的Γ_A的谐振变化并且识别哪个询问频率呈现出与所需的测量性能一致的最佳折衷。这种校准还使表征检测的破坏性成为可能。

对于惯性传感器应用，需要测量分别表示与待分析的两个原子态|a>和|b>相关联的N1和N2的两个量Γ_A1和Γ_A2。对于图1中的传感器的示例，要分析的两个状态|a>和|b>(分别具有(populat with)N1和N2个原子)是(参见上文)：

|a>＝|F＝2,mF＝+2；v1＝+v>；|b>＝|F＝2,mF＝+2；v2＝-v>。

状态|a>和|b>仅在速度方面有区别。因此，选择的检测状态是|d>＝|F＝1,m_F＝+1>(图2中频率fn的跃迁Tn)，并且频率fs＝fn+f0/2。仅通过速度并且因此通过原子相对于天线的位置来进行区分。

可以看出，在根据本发明的装置中，用于检测的询问是使用微波频率执行的，这与使用光频率的现有技术不同。这使将检测器直接集成在原子芯片上以及获得与干涉仪的原子态的布居数相对应的电信号成为可能。

图10图示了根据本发明的装置1的用于测量原子相位和参考相位的变型。为了这个目的，功分装置SS被配置成提取入射信号的一部分SMWi'，并且检测器Det被配置成检测入射信号的这一部分并且因此测量入射信号和原子反射信号之间的相位(原子相位

)，以及入射信号和参考反射信号之间的相位(参考相位

)。

图11示出了集成在芯片Ach上并且耦合到同样集成的3线共面微波波导的、可以测量反射信号的幅度和相位的功分装置SS的一个示例。承载入射信号和反射信号的中心线WC耦合到线20，线20在一方面被配置成收集入射信号的一部分SMWI'并且将其引导至检测器Det，并且在另一方面被配置成经由链路21将反射信号引导至检测器。该功分装置用作围绕频率f_H(非常接近fs)优化的双向微波耦合器。

这里的检测器Det是矢量网络分析仪或相位-幅度检测器，用于测量入射信号和(原子或参考)反射信号之间的幅度和相位。

根据另一方面，本发明涉及集成至少一个根据本发明的测量装置的冷原子传感器CAS。这可以是基于使用冷原子云的任何类型的传感器，所述冷原子云中包含关于待测量的物理量的信息，该信息通过确定的原子能级的原子的布居数编码，并且因此需要测量表示该布居数的量。

根据一个变型，根据本发明的传感器CAS包括原子芯片Ach，并且优选地，天线Ant、波导GO和功分装置SS集成在原子芯片Ach上。

在现有技术中已经描述了原子芯片惯性传感器。

根据本发明的该变型的传感器CAS包括原子芯片Ach，原子芯片Ach包括被配置成生成磁导G的微电路和原子源AS，原子芯片和原子源被放置在真空室中。

传感器被配置成生成包括具有第一原子能级|a>和第二原子能级|b>的原子的初始的冷原子云、生成具有第一原子能级的冷原子云和具有第二原子能级的冷原子云并且在适用的情况下使其沿着预定路径在相反方向上移动、以及重组所述冷原子云以生成至少一个待分析的具有冷原子的云：单个捕获云CL用于文献WO 2017089489中描述的传感器；在自由传播模式下两个云CL1和CL2用于图1中的传感器。

冷原子传感器还包括至少一个根据本发明的测量装置1，其被配置成测量表示第一原子能级|a>的布居数Nl的第一量Γ_A1和表示第二原子能级|b>的布居数N2的第二量Γ_A2。诸如惯量的物理量根据第一表示量Γ_A1和第二表示量Γ_A2确定。为此，装置1按时间依次测量Γ_A1和Γ_A2。

图12示出了根据本发明的陀螺仪惯性传感器的第一示例，其操作原理在文献WO2017089489中有所描述。这里的微电路包括两个共面微波波导CPW1和CPW2(由发电机GMW供电))和多条导线17(由DC电压或电流发生器GDC供电)，这可以在基本上矩形的路径16上引导和移动云。根据本发明的装置被集成到传感器中，天线Ant、波导GO和功分装置SS都被集成在原子芯片Ach上，其平面不同于将波导CPW1和CPW2集成的平面以及将导线17集成的平面。天线Ant靠近并且尽可能靠近待分析的冷原子云CL设置，通常与CL的位置一致。

图13示出了如图1中描述的根据本发明的加速度计惯性传感器CAS的第二示例。这里的微电路包括磁四极子。两个云的路径沿轴线Y呈直线，并且待分析的两个云CL1和CL2在重组期间和重组之后在运动(自由传播)。传感器包括根据本发明的第一测量装置1和根据本发明的第二测量装置2。第一装置1包括第一微波源S1、第一微波波导GO1、第一天线Ant1、第一功分装置SS1(三者均集成在芯片Ach上)和第一检测器D1，并且被配置成通过分析云CL1来测量第一表示量Γ_A1。第二装置2包括微波源S2、第二微波波导GO2、第二天线Ant2、第二功分装置SS2(三者也均集成在芯片Ach上)和第二检测器D2，并且被配置成通过分析云CL2测量第二表示性量Γ_A2。然后使用两个装置1和2并行测量Γ_A1和Γ_A2。优选地，天线关于空间中发生重组的位置对称布置并且位于路径16上，并且测量是飞行时间测量。

根据图14中所示的一个实施方式，图13中描述的传感器包括如图11中描述的两个功分装置SS1和SS2(链路211和212)，允许访问原子反射信号和参考反射信号的相位测量。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于测量表示占据预定原子能级的冷原子的布居数N的量的方法100，冷原子位于待分析的冷原子云CL中，该方法包括以下步骤：

A以预定信号频率fs生成微波入射信号SMWi，

B在微波波导中传播所述入射信号，并且将所述入射信号发射到所述冷原子云，

C恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的被称为原子反射信号的反射信号SMWra，并且其在波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，

D提取所述原子反射信号的至少一部分，

E检测提取的所述原子反射信号SMWra，

G根据所述原子反射信号SMWra的检测值S_A和所述参考反射信号SMWr0的检测值S₀确定表示待分析的原子能级的冷原子的布居数N的所述量。

优选地，在存在云的情况下的步骤A至F之后执行在不存在云的情况下的步骤A至F的实现。

在借助于传感器测量惯量的方法中，测量方法100对应于代替现有技术中描述的实现光束的步骤E5'而实现检测步骤E5。

Claims

1.一种用于测量表示占据预定原子能级的冷原子的布居数(N)的量(Γ_A)的装置(1、2)，所述冷原子位于待分析的冷原子云(CL)中，所述装置包括：

-微波源(S)，被配置成以预定信号频率(fs)生成入射信号(SMWi)，

-微波波导(GO)，被配置成传播所述入射信号，和天线(Ant)，被配置成将所述入射信号发射到所述冷原子云及其环境，

所述天线和所述微波波导还能够恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的原子反射信号(SMWra)，并且所述原子反射信号在所述波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，

-功分装置(SS)，被耦合到所述微波波导并且被配置成提取所述原子反射信号的至少一部分，

-检测器(Det)，被配置成检测由所述功分装置提取的所述原子反射信号，

表示所述预定原子能级的冷原子的布居数(N)的所述量是从所述原子反射信号(SMWra)的检测值(S_A)以及从被称为参考反射信号(SMWr0)的、在不存在所述云的情况下由环境反射的信号的检测值(S₀)获得的。

2.根据前一权利要求所述的装置，其中，所述表示量与所述布居数成比例。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的装置，其中，所述表示量(Γ_A)被称为原子反射系数，并且定义如下：

其中，S_A是所述原子反射信号的检测值，

S₀是所述参考反射信号的检测值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述检测器被配置成检测反射的原子功率和参考功率，所述表示量((Γ_PA)是根据所述原子功率和所述参考功率确定的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述检测器被配置成检测反射的原子幅度和参考幅度，相关联的所述表示量(Γ_AV)是根据所述幅度确定的，和/或被配置成检测原子相位和参考相位，相关联的所述表示量

是根据所述相位确定的。

6.根据前一权利要求所述的装置，其中，所述功分装置(SS)被配置成提取所述入射信号的一部分并且所述检测器(Det)被配置成检测所述入射信号的所述一部分并且测量所述原子相位和所述参考相位。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述微波波导和所述天线被集成在原子芯片上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述信号频率fs使得：

fs≥fT+f0/2

其中，fT是可能的跃迁中最高的检测跃迁的频率，

f0是所述冷原子的两个塞曼子能级的分隔频率。

9.一种冷原子传感器(CAS)，包括：

-包括被配置成生成磁导的微电路的原子芯片(Ach)和原子源(AS)，所述原子芯片和所述原子源被放置在真空室中，

所述传感器被配置成：生成包括具有第一原子能级(|a>)和第二原子能级(|b>)的原子的初始的冷原子云，生成并且在适用的情况下沿预定路径在相反方向上移动具有所述第一原子能级的冷原子云和具有所述第二原子能级的冷原子云，以及重组所述冷原子云以生成至少一个待分析的冷原子云(CL、CL1、CL2)，

所述冷原子传感器还包括：

-至少一个如权利要求1至8中任一项所述的测量装置(1)，其被配置成测量表示所述第一原子能级(|a>)的布居数(N1)的第一量(Γ_A1)和表示所述第二原子能级(|b>)的布居数(N2)的第二量(Γ_A2)、根据所表示的所述第一量和第二量确定的物理量。

10.根据前一权利要求所述的传感器，其中，所述测量装置的所述微波波导(GO)和所述天线被集成在所述原子芯片上，以及其中，所述天线(Ant)位于靠近所述待分析的冷原子云的位置。

11.根据前一权利要求所述的传感器，其中，所述测量装置的所述功分装置(SS)也被集成在所述原子芯片上。

12.根据权利要求10和11中任一项所述的传感器，被配置成生成第一冷原子云(CL1)和第二冷原子云(CL2)以在运动中进行分析，并且包括第一测量装置(1)和第二测量装置(2)，所述第一测量装置(1)和第二测量装置(2)分别包括集成在所述芯片上的第一波导(GO1)和第二波导(GO2)以及第一天线(Ant1)和第二天线(Ant2)，所述第一测量装置(1)被配置成测量表示所述第一云的所述第一量(Γ_A1)并且所述第二测量装置(2)被配置成测量表示所述第二云的所述第二量(Γ_A2)。

13.一种用于测量表示占据预定原子能级的冷原子的布居数(N)的量的方法，所述冷原子位于待分析的冷原子云(CL)中，

所述方法包括以下步骤：

A以预定信号频率(fs)生成微波入射信号(SMWi)，

C恢复由所述云及其环境对所述入射信号的反射产生的被称为原子反射信号的反射信号(SMWra)，并且所述反射信号在所述波导中在与所述入射信号相反的方向上传播，

D提取所述原子反射信号的至少一部分，

E检测提取的所述原子反射信号(SMWra)，

F在存在所述冷原子云的情况下执行步骤A至E之前或之后，在不存在所述云的情况下执行步骤A至E，这样在不存在所述云的情况下，由云演化的环境对所述入射信号的反射产生被称为参考反射信号的反射信号，

G根据所述原子反射信号(SMWra)的值(S_A)和所述参考反射信号(SMWr0)的值(S₀)确定表示待分析的原子能级的冷原子的布居数(N)的所述量。