[发明专利]一种对磁光阱垂向位置的漂移标定及反馈锁定方法

说明书

本申请公开了一种对磁光阱垂向位置的漂移标定及反馈锁定方法，适用于上抛型和自由下落型冷原子干涉仪。冷原子干涉仪包括有一个或者多个冷原子干涉物理探头，每一个冷原子干涉物理探头包括有一个磁光阱(磁光阱包括有一对反向亥姆赫兹线圈、六束冷却激光)、一对偏置磁场线圈、一束探测光和一个探测器。本发明公开了一种根据TOF信号的信息来实现对磁光阱的囚禁区的垂向位置的漂移标定，不需要增加其他复杂的器件，然后通过反馈偏置磁场的电流来实现对磁光阱的囚禁区的垂向位置的反馈锁定，从而解决实验上由磁光阱的囚禁区的垂向位置的漂移标定带来的干涉条纹对比度降低的问题，有助于提高干涉条纹对比度的长期稳定性。

技术领域

本发明涉及冷原子干涉仪的技术领域，更具体涉及一种对磁光阱垂向位置的漂移标定及反馈锁定方法。

背景技术

随着冷原子相关技术的迅速发展，冷原子干涉仪作为新一代的量子传感器，已被广泛应用于精密测量物理领域。利用拉曼激光实现对原子的相干操控是原子干涉仪中一项非常重要的关键技术，当拉曼激光在空间指向不同时，所测量的物理量也不一样。当前研究比较多的是利用垂直拉曼激光构型(拉曼激光沿着重力加速度的方向进行传播)和水平拉曼激光构型(拉曼激光沿着水平方向或者与水平方向成小角度的方向进行传播)的原子干涉仪来做精密测量研究。

在原子干涉仪应用方面，垂直拉曼激光构型的原子干涉仪被重要用于测量加速度(gravimeter)、竖直方向的重力梯度(vertical gravity gradiometer)；水平拉曼激光构型水平拉曼激光构型的原子干涉仪现如今主要被用来测量地球转动(gyroscope)、倾角变化(tiltmeter)、水平方向的重力梯度(horizontal gravity gradiometer)。

原子干涉仪的单次实验过程包括以下5个主要步骤：磁光阱制备冷原子云、上抛(或自由落体)、态制备、干涉和探测。对于垂直拉曼激光构型的原子干涉仪，原子的运动轨迹与拉曼激光光束的传播路径在空间上始终保持重合，因此磁光阱(MOT)在垂直方向(重力加速度方向)的位置漂移(用“S^z_MOT”表示)几乎不会影响后续干涉过程中原子感受到的有效拉比频率；然而，对于水平拉曼激光构型原子干涉仪，拉曼激光与原子的飞行轨迹在空间上不重合，相互垂直或成一定角度，这种情况下，磁光阱在垂向方向的位置漂移(“S^z_MOT”)会直接改变后续干涉过程中原子感受到的有效拉比频率，进而影响干涉条纹对比度。

原子干涉仪是归属量子体系的一种精密测量仪器，其最大的特点之一就是其测量指标的长期稳定性可以做得非常好。但是在实际的长期实验过程中，由于冷却激光光强、偏振以及磁场的漂移，会导致磁光阱在垂向方向的位置发生漂移。在现有技术中，原则上可以通过高清CCD对磁光阱中囚禁的原子云进行拍照(T.Farah,P.Gillot,B.Cheng,A.Landragin,S.Merlet,and F.Pereira Dos Santos,Effective velocity distributionin an atom gravimeter:Effect of the convolution with the response of thedetection，Phys.Rev.A 90,023606,2014)，然后通过拟合来获取磁光阱在垂直方向上的位置变化，但这一方法需要额外增加一个高清CCD，增加了干涉仪的系统复杂性。本项目提出了一种根据TOF信号的信息来实现对S^z_MOT的标定，不需要增加其他复杂的器件，然后通过反馈偏置磁场的电流来实现对S^z_MOT的反馈锁定，从而解决实验上由S^z_MOT带来的干涉条纹对比度降低的问题，有助于提高干涉条纹对比度的长期稳定性。

发明内容