CN203480055U - 一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器，涉及原子分子物理学科中的冷原子技术领域。本传感器由两个冷原子干涉装置组成，两个干涉区域的中轴线重合并且两个真空容器也在该方向上连通为一体，同时设置有二维磁光阱区域。本实用新型可极大地抑制外部干扰和内部噪声对测量的影响，对资源勘探、地质结构分析、地球物理研究等领域都具有非常重要意义。

Description

一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器

技术领域

本实用新型涉及原子分子物理学科中的冷原子技术领域，尤其涉及一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器，应用于重力勘测领域。

背景技术

大地内部的质量和密度分布直接决定了地表的重力场，同时由重力势的各阶微商也同样可以通过一系列算法反演得到大地内部质量和密度的分布特征；因此重力测量在资源勘探、地质结构分析和地下目标搜寻等事关国民经济发展的一系列重要领域一直发挥着十分重要的作用。而重力势不同阶次的微商对于异常地质体的空间灵敏度和分辨率并不相同，越高阶次的微商随埋深Z的变化越快，即具有更高的空间灵敏度，也就是说对于异常地质体的空间分辨能力就越强。

一方面，重力势的高阶微商对地球重力场的变化更加灵敏；另一方面，由于可采取实时差分的测量方案，震动、潮汐和磁场异常等因素对测量所造成的负面影响在针对高阶微商的差分测量方案中可在很大程度上被抑制掉从而使测量达到更高的精度，因此先针对高阶微商进行测量再通过积分恢复出低阶微商的勘测方案目前已被广泛使用。

迄今为止，用于测量重力势一阶微商（即重力加速度g）技术方案已经相当成熟，其中具有代表性的有宏观自由落体方案和冷原子干涉方案。其中宏观自由落体方案已经完全实现商品化，如美国Micro-g Lacoste公司所生产的采用自由落体方案的FG5型绝对重力仪和CG5型相对重力仪；而冷原子干涉方案则具有更高的测量精度（可达10^-12g）。对于重力势二阶微商即重力梯度的测量方法，在国际上也有低温超导、旋转加速度计、静电悬浮以及原子干涉等多种成熟的技术方案，并且已经开始商品化运作。我国也已经布局相关的研究工作，目前在实验室研发阶段已经取得了一系列重要进展。

如前文所述，重力势的三阶微商相对于一阶、二阶微商具有更高的空间灵敏度和分辨率，但目前在国际上尚未有研究机构提出合适的直接测量装置和测量方法。在理论上讲可以使用单个重力仪先后在不同的位置进行四次测量，或者使用四个重力仪在不同的位置进行同时测量；但前者由于没有任何抑制共模噪声和偏差的机制，所以无法超越单个重力仪自身测量精度的限制，后者虽然做到了在时间上同步，可以在一定程度上抑制外部环境共模噪声的负面影响，但对于来自重力仪自身的噪声和偏差仍然是无能为力，所以同样不能突破其自身测量的精度。使用单个重力梯度仪先后在不同的位置进行二次测量，或者使用两个重力梯度仪在两个位置进行同时测量的方案，与前面阐述的重力仪方案具有同样的弊端。

本实用新型所提出的重力势三阶微商测量传感器和测量方法，涉及冷原子技术领域中的激光冷却和囚禁技术、移动光学粘胶技术和基于原子干涉效应的重力测量技术。1986年美国贝尔实验室的朱棣文等人首次实现了原子的激光冷却和囚禁，开辟了冷原子物理研究的新纪元。1991年该小组采用受激拉曼跃迁的方法观测到了原子干涉效应，继而又于1998年首次实现了冷原子干涉仪并完成了绝对重力测量（High-precision gravitymeasurements using atom interferometry，A.Peter等，Metrologia，38卷，25页，2001年）。在国内，中国科学院武汉物理与数学研究所也早在1995年即开展了冷原子物理的研究工作并于1998年首次实现了铷原子的激光冷却和囚禁，接着于2006年和2010年分别在国内首次实现了原子干涉仪和原子干涉型重力仪原理样机（Measurement of Local Gravity via a Cold AtomInterferometer,L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701页,2011年）。

2001年，美国斯坦福大学的Kasevich小组曾将两个独立的冷原子干涉型重力仪沿重力方向层叠，首次用原子干涉效应实现了重力梯度的测量，并达到了40E/Hz^1/2的测量灵敏度（1E=10^-10g/m）（Sensitive absolute-gravity gradiometry using atom interferometry，J.M.McGuirk等，Physical Review A，第65卷，033608页，2002年）。但如果将此种方案进行推广并用于重力势三阶微商的测量，则需使用四个垂向层叠的干涉装置，这无疑将大大增加测量系统的成本、复杂性以及空间占用，不利于工程化和移动测量；此外，该测量方案采用了两个分立的原子干涉型重力仪，中间存在有两个玻璃窗片和空气间隙，这就使得尽管采用了公共的拉曼激光束，窗片的结构偏差、挤压形变及空气的扰动使得两个重力仪中的原子仍然无法感受到完全相同的激光脉冲，而拉曼激光的相位偏差和噪声是原子干涉重力测量方案中内部噪声和偏差的主要来源，因此拉曼激光相位偏差和噪声的无法完全共模相消严重限制了测量精度的进一步提高。

综上所述，利用单个重力仪先后进行四次测量和利用四个分立重力仪或两个重力梯度仪进行同时测量两种可能的重力势三阶微商测量方案都缺乏有效的共模噪声抑制机制。斯坦福大学共用拉曼激光的重力梯度测量方案虽然具有一定的共模机制，但一方面存在有窗片的结构偏差和空气扰动影响拉曼激光相位噪声共模消除的问题，另一方面由于结构的复杂性也很难推广到重力势三阶微商的测量领域。

发明内容

本实用新型首次提出了一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器，目的在于解决基于现有技术的几种可能的测量方案中的噪声共模抑制问题和测量装置的体积、重量、功耗及复杂性问题。

所要解决的问题具体在于：

①如背景技术中所介绍，目前尚未有能够直接测量得到重力势三阶微商的技术方案。如果采用单个重力仪或重力梯度仪进行多次测量得到重力势三阶微商，由于没有任何抑制共模噪声和偏差的机制，所以无法超越单个重力仪自身测量精度的限制；如果采用多个重力仪或重力梯度仪进行同步测量，虽然做到了在时间上同步，可以在一定程度上抑制外部环境共模噪声的负面影响，但仍旧无法彻底消除来自测量装置内部（如原子干涉方案中的拉曼激光相位）的噪声和偏差，同样不能突破其自身测量的精度，同时其体积、重量、功耗及生产成本也都严重制约其工程化发展。

②斯坦福大学基于原子干涉效应的共用拉曼激光的重力势二阶微商（重力梯度）测量方案虽然采用具有一定的共模机制，但一方面存在有窗片的结构偏差和空气扰动影响拉曼激光相位噪声共模消除的问题，另一方面如果将该方案进行推广并用于重力势三阶微商的测量，则需要四个垂向层叠的原子重力仪装置，这无疑将大大增加测量系统的成本、复杂性以及空间占用，不利于工程化和移动测量。

本实用新型的目的和效果是通过具有如下特征的技术方案来实现的：

简要来说，本实用新型所提出的基于原子干涉效应的重力势三阶微商的测量方法，采用四路原子干涉环路同步采样的技术方案共模消除来自外部环境的噪声和偏差；其次，采用共用拉曼激光及真空连通的方案，可以彻底地将来自内部拉曼激光相位的噪声和偏差一并共模消除；再次，该方法采用双磁光阱双抛的技术方案，用相对简单的测量装置即可实现同步采样所需的四路原子干涉环路，降低了测量装置的体积、重量、功耗和生产成本；最后，重力势三阶微商的数值由差分数据处理方法得出。

具体地说：

一、传感器

本传感器包括重力敏感型冷原子干涉装置，其装置的结构是：包含有三维磁光阱区域和原子干涉区域，具体来说包含有真空容器、三维磁光阱反向磁场线圈对、偏置磁场线圈、碱金属样品和光电探测器以及第1、3激光光束发射器；

碱金属样品设置于第1真空容器和第2真空容器中；以三维磁光阱区域的中心点为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的第1激光光束发射器，同时以其中一对方向为轴，对称地设置有一对三维磁光阱反向磁场线圈对；在三维磁光阱区域的上方，连接有中心轴通过三维磁光阱区域中心点的原子干涉区域，该原子干涉区域的中心轴与重力方向完全重合；在原子干涉区域中心轴的上下两端分别设置有两个对射的且指向装置内部的第3激光光束发射器；以原子干涉区域的中心轴为对称轴设置有偏置磁场线圈，另有光电探测器5设置于原子干涉区域的末端；

其特征在于：

设置有两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉装置和第2重力敏感型冷原子干涉装置；两个装置的原子干涉区域的中心轴线重合、指向重力方向并在重力方向层叠，两个装置各自的第1、第2真空容器也在该方向上连通为一体，同时在三维磁光阱区域的一侧设置有包含有二维磁光阱反向磁场线圈对和第2激光光束发射器的二维磁光阱区域。

真空容器由钛金属材料制成或采用全玻璃结构。

部分激光光束发射器以反射镜为核心部件。

工作机理

在三维磁光阱区域的一侧，设置有中心轴通过三维磁光阱区域中心点的二维磁光阱区域，以该中心轴为轴心空间对称的四个方向（如上、下、前、后）分别设置有四个发射方向指向该中心轴且所发射激光光束的长轴方向平行于该中心轴的第2激光光束发射器；同时以其中一对或全部两对方向为轴，对称地设置有一对或两对能够产生二维梯度磁场二维磁光阱反向磁场线圈对。由第2激光光束发射器和二维磁光阱反向磁场线圈对所产生的六束激光光束和二维梯度磁场协同工作形成二维磁光阱。

二维磁光阱可以产生中心轴通过三维磁光阱区域中心的二维冷原子束，大大提高三维磁光阱抓捕原子的速度。可使得一个三维磁光阱能够在很短的时间内连续制备（抓捕）并抛射两个冷原子团。令两个重力敏感型冷原子干涉装置同步工作，即可获得四个做同步自由落体运动的冷原子团。与基于现有技术的采用四个重力仪的可能技术方案相比，该方案仅采用两个冷原子干涉装置即可获得四个测量用的落体冷原子团并可实现四个原子干涉环路。

两个重力敏感型冷原子干涉装置的真空容器沿原子干涉区域的中心轴线连通为一体，并且仅在上方装置的顶端和下方装置的末端设置有共用的一对第3激光光束发射器。该方案使得四个原子干涉环路可以由同一组拉曼激光脉冲同步操作的，并且拉曼激光光束可以无阻碍地依次作用于四个落体冷原子团，避免了玻璃窗片的结构偏差及空气扰动造成的与四团冷原子相作用的拉曼激光参数的不一致性，这就使得来自外部环境的噪声和测量装置内部的噪声（主要是来自拉曼激光参数的噪声）对四组干涉条纹的影响是同步的，并可以完全共模消除。

此外，真空容器由钛金属材料制成或采用全玻璃结构。该方案使得整个装置的无磁特性大幅度优于传统不锈钢材料，可避免整个容器携带非均匀磁场使得原子能级的赛曼劈裂发生起伏，从而导致激光相位偏差的累加；同时使得整个装置的采样率指标优于传统铝合金材料，由于钛材料的电阻远大于铝材料，故可以减少磁场开关过程中所产生的感应涡流存在的时间，提高测量的速度。

再次，部分激光光束发射器以反射镜为核心部件。该方案可以使得部分激光光束可以通过单次或多次反射其它的激光光束来得到，一方面可以使得整个传感器的光学系统变得简洁；另一方面对于拉曼激光光束，使用反射镜作为其中一个第3激光光束发射器的核心部件可以使得两个拉曼激光光束在绝大部分传播路径当中是重合的，这样可以极大程度地共模抑制掉由传播路径所引入拉曼激光中的噪声。

二、测量方法

本测量方法是一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量方法，利用激光冷却和囚禁技术、移动光学粘胶技术和基于原子干涉效应的重力测量技术，包含有数据采集和数据处理两个过程，其特征在于：

数据采集过程包括：

①利用第1、第2重力敏感型冷原子干涉装置沿重力（或反重力）方向协同发射四个（各先后发射两团）落体冷原子团（c-1～4），通过调节发射初速度使得四个落体冷原子团（c-1～4）做同步自由落体运动（即上升或下落速度及相对间距时刻保持一致）。

②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干粒子数转移法将各原子团中的原子转移或筛选到某一个基态能级的磁量子数mF=0的磁子能级上。

③用同一对覆盖原子运动轨迹的拉曼激光光束（a-3）对四团冷原子进行同步的相干操作。

④探测并记录四个原子团中原子在各基态的分布几率，获得一组（4个）原始数据点。

⑤n次改变（扫描）拉曼激光的相位并重复①～④步骤，获得n组原始数据点。

数据处理过程包括：

①将n组原始数据点转换为n个二阶相位差数据点。

②将n个二阶相位差数据点进行拟合并计算得到重力势三阶微商。

该方法用相对简单地测量装置实现了对四个区域重力信息的同步采样，可极大地共模抑制掉来自外部环境参数的测量偏差及噪声；此外由于共用拉曼激光光束（a-3），所以由内部拉曼激光的相位所引入的噪声和偏差也被将被共模抑制掉。所使用的差分数据处理方法是直接拟合得出原子干涉条纹位相的二阶差分值再计算出重力势三阶微商的数值，而并非分别拟合四个原子干涉条纹的相位再两次做差，可以实现实时的对外部环境噪声及内部噪声的共模抑制。

工作机理

使用碱金属原子，首先采用双磁光阱双抛的方法来发射四个冷原子团，并使其做同步的自由落体运动。即采用沿重力方向以一定距离上下层叠的两个重力敏感型冷原子干涉装置（A、B），每一个装置沿重力（或反重力）方向先后囚禁并发射两个三维冷原子团（c），并通过调节发射初速度，使得这两个冷原子团的上升或下落速度及相对间距时刻保持一致。令两个装置同步工作，即获得四个做同步自由落体运动的相对静止的落体冷原子团（c-1～4）。该方案与基于现有技术的利用四个重力仪进行测量的可能方案相比较，用相对简单的测量装置即可实现同步采样所需的四个同步运动的冷原子团，降低了测量装置的体积、重量、功耗和生产成本。

在每一个冷原子团发射之后，利用激光或微波泵浦方法或拉曼激光粒子数转移方法将原子团中的原子制备或筛选到某一个（共两个）基态能级的mF=0的（即磁场不敏感）磁子能级上。

随后在原子团的运动轨迹上（四个冷原子团的自由落体运动轨迹在同一条直线上）用同一对（上下两个）拉曼激光光束（a-3）先后发射π/2-π-π/2三个拉曼激光脉冲同时对四个冷原子团进行类似于光学马赫-曾德（M-Z）干涉仪的分束-反射-合束操作，构成四个同步的原子干涉环路。每一个干涉环路的两个出射路径上的原子数目的分布会随着拉曼激光相位的改变而呈正弦震荡形成原子干涉条纹，即拉曼激光的相位会直接进入原子干涉条纹的相位。由于原子的自由落体运动会导致与其相作用的拉曼激光相位的变化，因此可以从原子干涉条纹的相位中包含有该区域重力加速度的信息。由于激光和原子作用使其产生动量变化（路径的分束合束）的同时始终伴随着原子在两个基态能级之间的布居数转移，因此最终原子在两个出射路径上的分布几率是可以通过对原子所处基态能级的探测而得到的。在该过程中，四个原子干涉环路是由同一组拉曼激光脉冲进行同步操作的，同时由于分属两个装置的第一真空容器（1-1）和第二真空容器（1-2）在原子运动路径（拉曼激光路径）上连通为一体使得拉曼激光光束（a-3）可以无阻碍地依次作用于四个落体冷原子团（c1～4），避免了玻璃窗片的结构偏差及空气扰动造成的与四团冷原子相作用的拉曼激光参数的不一致性，这就使得来自外部环境的噪声和测量装置内部的噪声（主要是来自拉曼激光参数的噪声）对四组干涉条纹的影响是同步的，并可以完全共模消除。

在获得了四组包含有四个不同空间区域（高度）的重力加速度信息的原子干涉条纹之后，采用差分数据处理方法以获得重力势三阶微商的数值。如果按照基于现有技术的利用四个重力仪的可能技术方案，先对单个干涉条纹的相位进行逐一拟合，得到四个区域各自的重力加速度数值再进行两次做差，则只能抑制掉一部分极低频率的系统偏差，而对于频率稍高的外部和内部的噪声则完全无法消除。本专利所涉及的差分数据处理方法并不对四组干涉条纹各自的相位进行拟合，而是直接对四组原子干涉条纹相位的二阶差分值进行拟合，即每一个待拟合的数据点都是消除了共模噪声的差分数据点。该方法可以很好地消除来自外部环境和测量装置内部的共模噪声，获得比单个重力仪或重力梯度仪更高的测量精度。类似的数据处理方法在文献（Method of phase extraction betweencoupled atom interferometers using ellipse-specific fitting，G.T.Foster等，Optics Letters，第27卷，951页，2002年）中曾有报道，但并未涉及重力势三阶微商的测量领域。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①应用于重力勘测领域，能够实现对重力势三阶微商进行直接测量，具有比现有技术更优越的共模噪声消除机制和测量装置简化机制，能够以更简单的实验装置、更小的体积和功耗获得比基于现有技术的可能测量方案更高的测量精度；

②对浅表异常地质体具有比重力仪和重力梯度仪更高的空间分辨率；

③可以一并以高精度实现对重力和重力梯度的测量，即可以兼顾对深埋地质体勘测的灵敏度和针对浅埋地质体勘测的分辨率；

④对于资源勘探、地震监测和地球物理研究等应用方向均可发挥重要作用。

附图说明

图1是上抛式重力势三阶微商测量传感器的结构示意图（截面）；

图2是下抛式重力势三阶微商测量传感器的结构示意图（截面）；

图3是以铷-87原子为例的原子干涉过程能级示意图；

图4是四个不同区域（高度）的包含重力加速度信息的原子干涉条纹示意图。

图中：

A—第1重力敏感型冷原子干涉装置；

B—第2重力敏感型冷原子干涉装置；

C—三维磁光阱区域；

D—二维磁光阱区域；

E—原子干涉区域；

1-1—第1真空容器，1-2—第2真空容器；

2-1—三维磁光阱反向磁场线圈对，

2-2—二维磁光阱反向磁场线圈对；

3—偏置磁场线圈；

4—碱金属样品；

5—光电探测器。

6-1—第1激光光束发射器，

6-2—第2激光光束发射器，

6-3—第3激光光束发射器；

a-1—三维磁光阱囚禁激光束，

a-2—二维磁光阱囚禁激光束；

a-3—拉曼激光光束，

b—二维冷原子束，

c—三维冷原子团；

c-1—第1落体冷原子团，

c-2—第2落体冷原子团；

c-3—第3落体冷原子团，

c-4—第4落体冷原子团。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、传感器

1、总体

如图1、2，本传感器包括重力敏感型冷原子干涉装置，其装置的结构是：包含有三维磁光阱区域C和原子干涉区域E，具体来说包含有第1真空容器1-1/或第2真空容器1-2、三维磁光阱反向磁场线圈对2-1、偏置磁场线圈3、碱金属样品4和光电探测器5以及第1、3激光光束发射器6-1、6-3；

碱金属样品4设置于第1真空容器1-1/或第2真空容器1-2中；以三维磁光阱区域C的中心点为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的第1激光光束发射器6-1，同时以其中一对方向为轴，对称地设置有一对三维磁光阱反向磁场线圈对2-1；在三维磁光阱区域C的上方，连接有中心轴通过三维磁光阱区域中心点的原子干涉区域E，该原子干涉区域的中心轴与重力方向完全重合；在原子干涉区域中心轴的上下两端分别设置有两个对射的且指向装置内部的第3激光光束发射器6-3；以原子干涉区域的中心轴为对称轴设置有偏置磁场线圈3，另有光电探测器5设置于原子干涉区域E的末端；

其特征在于设置有两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉装置A和第2重力敏感型冷原子干涉装置B；两个装置的原子干涉区域E的中心轴线重合、指向重力方向并在重力方向层叠，两个装置各自的第1、第2真空容器1-1、1-2也在该方向上连通为一体，同时在三维磁光阱区域C的一侧设置有包含有二维磁光阱反向磁场线圈对2-2和第2激光光束发射器6-2的二维磁光阱区域D。

其效果是：

二维磁光阱可以产生中心轴通过三维磁光阱区域C中心的二维冷原子束b，大大提高三维磁光阱抓捕原子的速度；可使得一个三维磁光阱能够在很短的时间内连续制备（抓捕）并抛射两个冷原子团c；令第1、第2重力敏感型冷原子干涉装置A、B同步工作，即可获得做同步自由落体运动的四个冷原子团（第1～4落体冷原子团c-1～c-4）。与基于现有技术的采用四个重力仪的可能技术方案相比，该方案仅采用两个冷原子干涉装置即可获得四个测量用的第1～4落体冷原子团c-1～c-4并可实现四个原子干涉环路。

两个重力敏感型冷原子干涉装置A、B的各自的第1、第2真空容器1-1、1-2沿原子干涉区域E的中心轴线连通为一体，并且仅在上方装置的顶端和下方装置的末端设置有共用的一对第3激光光束发射器6-3；该方案使得四个原子干涉环路可以由同一组拉曼激光脉冲同步操作，并且拉曼激光光束a-3可以无阻碍地依次作用于四个落体冷原子团（c-1～c-4），避免了玻璃窗片的结构偏差及空气扰动造成的与四团冷原子相作用的拉曼激光参数的不一致性，这就使得来自外部环境的噪声和测量装置内部的噪声（主要是来自拉曼激光参数的噪声）对四组干涉条纹的影响是同步的，并可以完全共模消除。

另外：

*真空容器由钛金属材料制成或采用全玻璃结构。

其效果是：

使得整个装置的无磁特性大幅度优于传统不锈钢材料，可避免整个容器携带非均匀磁场使得原子能级的赛曼劈裂发生起伏，从而导致激光相位偏差的累加；同时使得整个装置的采样率指标优于传统铝合金材料，由于钛材料的电阻远大于铝材料，故可以减少磁场开关过程中所产生的感应涡流存在的时间，提高测量的速度。

*部分激光光束发射器是以反射镜为核心的部件。

其效果是：

可以使得部分激光光束可以通过单次或多次反射其它的激光光束来得到，一方面可以使得整个传感器的光学系统变得简洁；另一方面对于拉曼激光光束a-3，使用反射镜作为其中一个第3激光光束发射器的核心部件可以使得两个拉曼激光光束在绝大部分传播路径当中是重合的，这样可以极大程度地共模抑制掉由传播路径所引入拉曼激光中的噪声。

2、功能部件

1）第1、2真空容器1-1、1-2

第1、2真空容器1-1、1-2是一种全封闭的容器，此容器和真空泵连接，确保真空度优于10^-6Pa。

2）三维、二维磁光阱反向磁场线圈对2-1、2-2

三维、二维磁光阱反向磁场线圈对2-1、2-2是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成。

3）偏置磁场线圈3

偏置磁场线圈3是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成。

4）第1、第2、第3激光光束发射器6-1、6-2、6-3

第1、第2、第3激光束发射器6-1、6-2、6-3是一种由例如半导体激光器的通用激光器和例如透镜、棱镜、声光和电光调制器等通用光学元件构成的调整系统以及例如光纤等通用传播器件相连接构成的发射终端，末端可以是光纤准直透镜组或反射镜系统。

5）碱金属样品4

碱金属样品4是锂、钠、钾、铷和铯等碱金属元素中的一种或几种。

6)光电探测器5

光电探测器5是一种通用的荧光信号的测量仪器，可以是半导体光电二极管或光电倍增管。

二、方法

该方法用相对简单地测量装置实现了对四个区域重力信息的同步采样，可极大地共模抑制掉来自外部环境参数的测量偏差及噪声；此外由于共用拉曼激光光束（a-3），所以由内部拉曼激光的相位所引入的噪声和偏差也被将被共模抑制掉。所使用的差分数据处理方法是直接拟合得出原子干涉条纹位相的二阶差分值再计算出重力势三阶微商的数值，而并非分别拟合四个原子干涉条纹的相位再两次做差，可以实现实时的对外部环境噪声及内部噪声的共模抑制。

三、对重力势三阶微商进行测量的具体技术方案如下：

第1（第2）真空容器1-1（1-2）内的碱金属样品4中的碱金属原子在常温或微加热状态下升华为稀薄的原子蒸气在真空容器内做自由运动。六个第1激光光束发射器6-1发射两两垂直的三对相向传播的三维磁光阱囚禁激光束a-1在三维磁光阱区域C的中心相交，囚禁激光的频率与原子在基态能级和激发态能级之间的跃迁近共振并红失谐（频率稍低）。由于多普勒效应，与某一束激光具有相向运动速度分量的原子会感受到与跃迁相共振的频率，从而在这一束激光中吸收光子，获得相反的动量并降低速度。所以在六束激光的重叠区域，原子的热运动会大幅减弱从而被冷却。在该区域的真空容器之外对称安装有三维磁光阱反向磁场线圈对2-1，通以相反的电流在空间中形成空间梯度磁场，即在原子团制备区域中心磁场强度为零，在偏离中心的位置磁场迅速增加。由于赛曼效应，原子的能级在磁场中发生分裂和移动，选择合适的跃迁磁子能级可使得磁场越强的位置原子的跃迁频率越接近激光的频率，跃迁的几率就越高，这将使得在一定区域内原子越是偏离中心位置所吸收的指向中心的光子就越多从而被击退。最终由磁场梯度和囚禁激光光束共同协作形成三维磁光阱，原子将被冷却并囚禁在三维磁光阱区域C的中心，形成三维冷原子团c。该过程所使用的两两垂直的三维磁光阱囚禁激光束a-1在空间上可以选择三种不同的指向构型，包括（0，1，1）构型（设三对激光束方向分别为x，y，z方向，则y-z平面内于y，z轴均成45度的方向为竖直方向，即如图1、图2中所示的结构，但垂直纸面方向的x光束未画出）、（0，0，1）构型（选定z轴为竖直方向）、和（1，1，1）构型（选定与x、y、z轴成等角度的方向为竖直方向）。

在具体实施过程中，为了提高三维磁光阱中囚禁原子的数目和装载速度，在三维磁光阱区域C一侧的二维磁光阱区域D内设置有能产生二维冷原子束b的二维磁光阱。与三维磁光阱的不同点在于，二维磁光阱仅使用两对二维磁光阱囚禁激光束a-2对原子在两个维度上（如图1、图2中的上下和前后方向，垂直纸面的前后方未画出）进行冷却和囚禁，在第三个维度上令其自由扩散或另加一束推载激光来使其定向运动，扩散或运动的方向指向三维磁光阱区域C的中心，这样便可以大大增加三维磁光阱中的囚禁原子数和装载的效率。所使用的二维磁光阱囚禁激光束a-2为长条型，可使用一个椭圆形光束或多个圆形光束构成阵列，所使用的二维磁光阱反向磁场线圈对2-2可以是沿某一个囚禁维度的一对线圈或者是沿两个囚禁维度分别设置的2对线圈。

冷原子团制备完成之后，需要将原子沿竖直（重力）方向向上或向下发射。当选择向上发射时（结构如图1所示），改变具有向上方向分量和向下方向分量的三维磁光阱囚禁激光束的频率，将具有向上方向分量的激光的频率调高，同时将具有向下方向分量的激光的频率调低，于是原子将会以更大的几率吸收具有向上方向分量的激光束中的光子，从而获得向上的初速度实现上抛。由于多普勒效应，频率调高或调低的幅度决定着原子最终获得的初速度。对于单个磁光阱，要实现先后发射的两团原子（如第1、第2落体冷原子团c-1、c-2）具有相同的实时速度，则需要给予后发射的第2落体冷原子团c-2更小一点的初速度，使得该初速度与先发射的原子团经过重力减速之后的速度相同。如果选择向下发射的方案（结构如图2所示），则按照相同的原理，需要将具有向下方向分量的激光的频率调高，同时将具有向上方向分量的激光束的频率调低。并且后发射的第2落体冷原子团c-2需要具有更大的初速度，而先发射的原子则可以选择利用重力进行无初速度自由下落的方法。

原子团发射之后,首先要对原子的初态进行制备。由于原子的能级在磁场中会按照磁量子数mF发生分裂，mF≠0的磁子能级会随磁场强度变化发生移动，从而造成等效拉曼激光相位的混乱，而mF=0的磁子能级在磁场中几乎不发生任何移动，因此要将原子全部制备或筛选到某一个下能级的磁场不敏感的mF=0磁子能级上。碱金属原子具有如图3所示的两个下能级，因此可以采用激光或微波泵浦的方法（两个mF=0能级之间不能直接发生跃迁，因此可以使用令磁子能级不发生改变的π光/微波，另原子聚集在mF=0磁子能级上）或者筛选法（先用共振激光将一个下能级上的原子推走，再用拉曼激光脉冲将另一个能级的mF=0磁子能级上的原子通过虚上能级转移到该能级的mF=0磁子能级上来，最后再将另一个能级上的剩余原子清空），实现原子在mF=0磁子能级上的布居。

下面以铷-87原子为例阐述原子干涉过程。如图3所示，经过态制备过程之后，原子都已经被制备或筛选到F=2下能级的mF=0磁子能级上。在原子团的运动轨迹上先后利用拉曼激光光束a-3加上等时间间隔的π/2-π-π/2三对拉曼激光脉冲,两个拉曼激光光束的频率之差等于F=1和F=2两个下能级的差，而各自的绝对频率与上下能级之差存在一个约GHz量级的失谐Δ（频率差）以避免单光子激发。原子在拉曼激光脉冲的作用下会在两个下能级之间来回震荡（拉比振荡），间其中π/2脉冲即为使原子在两能级之间的拉比震荡进行到π/2位相时的激光脉冲，即使得原子有一半的几率（即原子团中一半数量的原子）吸收并发射光子并发生能级的转移；π脉冲即为使原子在两能级之间的拉比震荡进行到π位相时的激光脉冲，即使得原子以100%的概率吸收并发射光子并发生能级的转移。原子在吸收发射光子的过程中存在有动量交换，因此会发生类似于马赫-曾德（M-Z）光学干涉过程中的分束、翻转、合束过程，并完成原子的干涉。由于原子与光子发生动量交换的过程中外部路径和内态能级同时发生改变，因此其宏观运动路径与其所处的内态能级相纠缠，所以我们可以通过探测原子最终所处的内态能级来判断原子在两个出射路径上的分布几率，即在相干操作之后，用一束共振激光去激发处于特定能级上的原子使其发射荧光，再用光电探测器4进行探测，其相对荧光的强度就代表原子处于该能级的几率。

图4为原子干涉条纹的示意图，仍以铷-87原子为例，假设态制备之后原子全部处于F=2，mF=0能级，则在π/2-π-π/2三对拉曼相干操作之后，原子仍处于该能级的几率为

其中K_eff为拉曼激光脉冲对的有效波矢，g为重力加速度，T为脉冲作用时间间隔，

为装置固有及人为引入的拉曼激光脉冲的相位。当扫描拉曼激光脉冲的相位

时（或者利用相位

与啁啾率即频率变化率α之间的关系

等效地扫描α），可以观察到原子团末态粒子数在两个下能级F=1,mF=0和F=2，mF=0之间做余弦震荡，而重力加速度会使得该余弦曲线发生一个

的相位移动。在重力梯度及重力势三阶微商的测量过程中，不同区域（高度）的重力加速度g存在细微不同，会导致余弦曲线具有不同的相位位移（对于重力势三阶微商的测量过程m=1～4）。在图4中为四个原子干涉环路中公共的拉曼激光脉冲的相位；P₁、P₂、P₃、P₄分别为四个原子干涉环路中末态原子处于F=2，mF=0能级的几率，值在0～1之间（0表示末态原子全部处于F=1，mF=0能级，1表示末态原子全部处于F=2，mF=0能级）；

分别为四个原子干涉环路中由不同的重力加速度g所造成的正弦曲线的相位移动。虽然通过分别拟合四个原子干涉条纹，可以分别得到四个区域的重力加速度g₁、g₂、g₃、g₄的数值，再进行二次做差得到重力势三阶微商，但为了抑制共模噪声从而实现直接差分测量，我们并不以条纹相位为变量用余弦函数

对每一个干涉条纹进行分别拟合，而是直接以四组条纹相位的二阶差分值Δ(Δφ)为变量来对数据进行拟合，即按照自上而下的顺序，先将第1、第2干涉环路获得条纹的位相公式相减得到第一相位差

再将第3、第4干涉环路获得条纹的位相公式相减得到第二相位差

再将两个相位差相减得到二阶相位差

将扫描拉曼激光脉冲的相位

所得到的每一组P_m，m=1～4分别带入上述函数关系式并对其进行拟合可得到

,最终由关系：

即可求得重力势三阶微商的数值V_zzz。其中z_a为第1、第2干涉环路的空间间距（即第1、第2落体冷原子团c-1、c-2的间距）以及第3、第4干涉环路的空间间距（即第3、第4落体冷原子团c-3、c-4的间距）；z_b为第1、第2重力敏感型冷原子干涉装置A、B的空间间距。该数据处理方法的每一个待拟合的数据点

都是消除了共模噪声的差分数据点，因此该方法可以很好地消除来自外部环境和测量装置内部的共模噪声，获得比单个重力仪或重力梯度仪更高的测量精度。

Claims (1)

1.一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器，包括重力敏感型冷原子干涉装置，其装置的结构是：包含有三维磁光阱区域（C）和原子干涉区域（E），还包含有第1真空容器1-1/或第2真空容器1-2、三维磁光阱反向磁场线圈对（2-1）、偏置磁场线圈（3）、碱金属样品（4）和光电探测器（5）以及第1、3激光光束发射器（6-1、6-3）；

碱金属样品（4）设置于第1真空容器（1-1）/或第2真空容器（1-2）中；以三维磁光阱区域（C）的中心点为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的第1激光光束发射器（6-1），同时以其中一对方向为轴，对称地设置有一对三维磁光阱反向磁场线圈对（2-1）；在三维磁光阱区域（C）的上方，连接有中心轴通过三维磁光阱区域中心点的原子干涉区域（E），该原子干涉区域（E）的中心轴与重力方向完全重合；在原子干涉区域中心轴的上下两端分别设置有两个对射的且指向装置内部的第3激光光束发射器（6-3）；以原子干涉区域的中心轴为对称轴设置有偏置磁场线圈（3），另有光电探测器（5）设置于原子干涉区域（E）的末端；

其特征在于：

设置有两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉装置（A）和第2重力敏感型冷原子干涉装置（B）；两个装置的原子干涉区域（E）的中心轴线重合、指向重力方向并在重力方向层叠，两个装置各自的第1、第2真空容器（1-1、1-2）也在该方向上连通为一体，同时在三维磁光阱区域（C）的一侧设置有包含有二维磁光阱反向磁场线圈对（2-2）和第2激光光束发射器（6-2）的二维磁光阱区域（D）。

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