[发明专利]一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置和测量方法

说明书

本发明公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源，还包括激光耦合头、分光平片、反射镜、WFS波前分析仪、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片，本发明还公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，本发明在真空腔抽真空之后，在真空腔外部就可以实时进行测量，就可以得到激光经过真空腔底部窗片之后的波前畸变，克服了在真空腔安装后测量真空腔底部窗片面型的困难。

技术领域

本发明属于原子绝对重力仪波前畸变测量领域，尤其涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，还涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法。

背景技术

原子绝对重力仪是基于原子干涉仪的一种新型重力仪，其基本原理是在真空中上抛或自由下落一团原子，利用一对拉曼光(波长为780nm)的操控实现原子团的分束，反射和干涉，得到包含重力信息的干涉条纹从而推导出绝对重力加速度的值。由于干涉仪的测量依赖于它的两个路径之间的相位差，因此每个原子就像一个单独的重力探测器，不受漂移、老化或磨损的影响。原子绝对重力仪经过几十年的发展，目前已经成为高精度绝对重力测量的主要仪器之一。

影响原子绝对重力仪测量精度一个很重要的因素是波前畸变带来的影响。图1展示了用的拉曼脉冲(波长为780nm的脉冲激光)序列在真空腔中实现原子干涉的过程和实验的装置图。最后得到的原子平均跃迁概率为:

其中，其中，Δφ＝Δφ₀+δφ，包含重力信息的部分为Δφ₀＝k_effgT²,δφ为波前畸变系统误差带来的相移。因此重力的测量误差δg可以表示为:

k_eff是有效波矢，可以写成k_eff＝k_a+k_b,T是原子自由演化时间。

波前畸变的相位误差是指由于拉曼光(780nm波长的激光)波阵面的非平行导致g的测量出现偏移。其波前像差可以表示为:

Δφ_wavefront＝Δφ₁-2Δφ₂+Δφ₃，

Δφ₁、Δφ₂、Δφ₃分别表示在脉冲-π脉冲脉冲时波前畸变带来的相位误差，如图2所示，由于原子具有横向扩散速度，且原子的位相与原子团的位置有关，所以经过干涉过程后，波前畸变导致的相位误差为：

n_i(r)表示脉冲、π脉冲、脉冲时原子团的分布情况，由于原子具有横向扩散速度，所以每个阶段其分布情况都不相同。δφ_wf是指拉曼光波前的相位差，准直的拉曼光可以看作平面波，因此波前像差是由装置中真空腔底部的窗口、四分之一波片和装置底部的拉曼光反射镜不是严格的平面导致如图1。在光学元件镜面畸变无法消除的情况下，最理想的办法是测出腔底部窗口、四分之一波片和底部反射镜的面型，计算拉曼光的波前畸变及带来的偏差。

事实上，我们可以使用Shack Hartmann波前分析仪测出被测元件的面型。如图4，测量透射元件的面型，只需要先测量与待测面型面积相同或更大的较为准直的激光(我们选择780nm波长的激光，为原子干涉仪中拉曼光波长)作为参考面型，再将待测元件的放入光路中由波前分析仪测到结果，两次结果相减就是该元件的面型，就可以知道激光透射该元件引入的波前畸变。用这种方法可以很容易的测量四分之一波片和反射镜带来的波前畸变，但是由于真空腔是封闭的，技术方面还不能从真空腔内部出射激光作为参考光实时进行测量，因此没办法用该理想方法进行系统误差分析波前畸变引起的g的测量不确定度。解决真空腔底部窗片所加入的波前畸变是解决我们所提问题的关键。