[发明专利]一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，包括构型相同的沿水平方向排列的第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元，涉及冷原子干涉技术领域。本发明还公开了一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法中，通过巧妙的设计，使相邻的两团原子之间的时间间隔等于自由演化时间T，第N和第N‑2团原子共用一个π/2拉曼激光脉冲。对于传统的水平重力梯度测量，各团原子在经过完整的π/2～π～π/2干涉以后，拉曼激光引入的总的相位差完全相互独立。本发明采用交错的干涉构型，将原本独立的拉曼激光引入的总的相位差关联起来，可以进一步降低测量过程中由拉曼激光引入的噪声。

技术领域

本发明涉及冷原子干涉技术领域，更具体的涉及一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，还涉及一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法。

背景技术

重力梯度作为重力势随空间位置变化的二阶导数，具有比重力场更高的空间分辨率。在实现对重力梯度场的5个独立分量进行测量以后，结合一系列的算法可以反演得到地球内部的质量分布，从而可以应用于重力勘探以及地下目标搜寻等一系列重要领域。

冷原子重力梯度仪利用激光与原子的相互作用，以激光的波长作为长度测量基准，结合原子钟提供的精确时间基准，它的操作对象是原子，因此有可能避开某些未知的系统误差，再者利用原子作为操作对象，使得梯度仪本身没有明显的机械磨损，可提供较高采样的长期测量。

利用拉曼激光实现对原子的相干操控是冷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。

冷原子水平重力梯度仪就是利用水平拉曼激光构型来实现水平重力梯度测量，利用拉曼激光与原子的运动轨迹不重合这一特点，通过巧妙的设计干涉构型可以实现原子团的交错干涉，法国巴黎天文台的A.Landragin等人利用交错构型的4脉冲原子干涉仪实现了转动的精密测量(D.Savoie,M.Altorio,B.Fang,L.A.Sidorenkov,R.Geiger,A.Landragin，Interleaved atom interferometry for high-sensitivity inertial measurements,Science Advances,2018)，其测量精度已经可以和现有最好的光纤陀螺仪的测量指标想媲美。但是在水平重力梯度测量过程中，需要利用3脉冲的拉曼激光来实现对原子的相干操控，因此，本发明针对水平重力梯度的测量需要，提出了一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法，可以进一步降低冷原子水平重力梯度的测量噪声。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，还提供一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种基于交错干涉构型的水平重力梯度测量装置，包括冷原子干涉结构单元，冷原子干涉结构单元包括第一冷原子干涉结构单元和第二冷原子干涉结构单元，

第一冷原子干涉结构单元内沿第一原子团运动轨迹的上升轨迹依次设置第一原子冷却区域、第一原子态制备区域、第一原子干涉区域，第一冷原子干涉结构单元内在第一原子团运动轨迹105的下降轨迹设置有第一原子探测区域，第一原子探测区域位于第一原子干涉区域下方，第一原子冷却区域内设置有第一碱金属源，

第二冷原子干涉结构单元内沿第二原子团运动轨迹的上升轨迹依次设置第二原子冷却区域、第二原子态制备区域、第二原子干涉区域，第二冷原子干涉结构单元内在第二原子团运动轨迹的下降轨迹设置有第二原子探测区域，第二原子探测区域位于第二原子干涉区域下方，第二原子冷却区域内设置有第二碱金属源，