一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学领域和原子干涉精密测量领域，本发明专利技术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。线标定。线标定。

【技术实现步骤摘要】
一种在线标定成像系统放大倍数的原子干涉装置和方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术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。
[0007]为实现上述目的，第一方面，本专利技术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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]原子团在各个拍照时刻相对原子制备区的位置S
i
为：
[0016]S
i
＝v0(t+ΔT
×
(i
‑
1))
‑
(1/2)g(t+ΔT
×
(i
‑
1))2[0017]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。
[0018]第二方面，本专利技术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：
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡忠坤，骆华清，邓小兵，徐耀耀，周敏康，段小春，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：