[发明专利]一种原子布居数探测系统

说明书

本公开提供了一种原子布居数探测系统，此系统包含荧光激发器和一对荧光收集器。当原子团下落到真空装置的探测区时，会先后穿过原子荧光激发器发射出的两束激光，使得原子团分别发出荧光，通过原子荧光收集器可把荧光信号收集起来并转为电流信号从而得到原子布居数。本公开的原子荧光激发器采用柱透镜扩束加棱镜反射的方式，以及原子荧光收集器使用了菲涅尔透镜和采用对称探测的方法，使得光路简化，大大缩小了尺寸和重量，提高了荧光收集效率，且不依赖于装置的摆放方位就能克服科里奥利力效应带来的系统误差，非常利于原子干涉重力仪的小型化、可移动化和精度提升。

技术领域

本公开属于量子精密测量领域中的绝对重力加速度测量领域，特别涉及一种原子布居数探测系统。

背景技术

原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。

原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。其中末态探测就是原子布居数的探测。

原子经过冷却陷俘，温度可以达到μK量级，但仍然具有一定的横向速度，原子团下落过程中会膨胀扩散。下落过程中，在拉曼光作用下，由于原子的多普勒效应，只有竖直方向上的速度小于一定的值的原子才能保留下来，也就是原子的竖直方向上的速度会进一步降低。最终原子团到达探测区时的形状为类似圆盘的椭球状气体。

拉曼干涉后，原子处于F＝1和F＝2的叠加态。若初态是制备到F＝1态，当原子团下落到探测区时，可通过探测处于F＝2态的原子数与总原子数之比得到跃迁概率。实验中，可先探测F＝2态的原子数，紧接着清除掉已探测的原子，这样只剩下F＝1态的原子继续下落，通过反抽运光把F＝1态原子泵到F＝2态后，再探测此态的原子数。为实现上述过程，需要两束相同频率、相同光强的激光平行打入探测区，让原子分别产生荧光，以及在两次探测之间打一束反抽运光。

目前原子干涉仪普遍用的的荧光激发器是把一束激光扩束成一个圆光斑，进入探测区之前再截取两小段矩形光斑作为探测光，导致大部分光功率都被浪费掉了。另一种常用的方法是把激光扩束成一个圆光斑后通过波片和PBS分成上下两束再进行截取，这种方法比起上一种虽然会节约了一部分光功率，但也大为增加荧光激发器的光路复杂性和体积。

当原子产生荧光后，需要用透镜把荧光收集并聚焦到光电管上，使得荧光信号转换为电流信号。由于电流和光功率大小呈正比，在一次测量中，可通过探测两次电流大小之比得到跃迁概率。

为保证荧光信号的对比度，荧光收集的空间立体角越大越好，则收集系统的第一个透镜口径要尽可能大且离探测区中心近。对于石英玻璃材质的透镜而言，口径越大，厚度越厚，能做到的最短焦距就越长，收集套筒能做到的最小长度就越长或者需要多片透镜组合，使得收集系统的重量和体积大为增加，不利于原子干涉仪的小型化。

由于惯性，惯性系中直线运动的质点相对于旋转体系产生的直线运动会有偏移，为了在旋转体系里描述这个偏移，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。而在原子干涉重力仪中，到达探测区的原子团具有一定的横向速度。如图1所示，假设地球自转角速度为重力仪安放在北纬处，而原子团的一部分在西方向具有速度分量图1中(a)：由科里奥利力原子会有一个往地轴运动的趋势。图1中(b)：会在重力方向产生一个分力，为这就会导致我们所测的重力值偏大，偏大的值同理，当原子团的另一部分在东方向具有速度分量时，会导致我们所测的重力值偏小。也易得，原子团在南北方向具有速度分量不会影响到所测重力值。