基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器及其方法技术

本发明专利技术公开了基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器及其方法，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；本测量方法的特征为：单组原始数据点的采集步骤包括：利用两个装置发射四个同步的落体冷原子团、初态制备、基于公共拉曼激光光束的同步相干操作、末态探测；数据处理过程包括：将n组原始数据点转换为n个二阶相位差数据点和拟合处理两个步骤。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，涉及原子分子物理学科中的冷原子
。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；本测量方法的特征为：单组原始数据点的采集步骤包括：利用两个装置发射四个同步的落体冷原子团、初态制备、基于公共拉曼激光光束的同步相干操作、末态探测；数据处理过程包括：将n组原始数据点转换为n个二阶相位差数据点和拟合处理两个步骤。本专利技术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。【专利说明】
本专利技术涉及原子分子物理学科中的冷原子
，尤其涉及一种，应用于重力勘测领域。
技术介绍
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。—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。本专利技术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
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 Gravityvia a Cold Atom Interferometer, 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/Hzl/2的测量灵敏度(lE=10_10g/m) (Sensitive absolute-gravity gradiometry using atominterferometry, 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。
技术实现思路
本专利技术首次提出了一种，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
技术介绍
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。本专利技术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，本专利技术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，采用四路本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：仲嘉琪，陈曦，熊宗元，宋宏伟，朱磊，王玉平，李大伟，王谨，詹明生，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：