[发明专利]量子绝对重力仪

说明书

本发明公开了一种量子绝对重力仪，其包括通过电线和/或光纤相互连接的控制系统、激光系统和探头系统；所述光路开关设置于激光系统的光线出射路径上，其包括电源、控制组件及执行组件，电源、控制组件及执行组件互相连接，所述执行组件设置于激光系统出光光路的一侧，执行组件包括挡光部件及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，所述步进电机包括转子及沿该转子外侧的某一周向至少设置第一绕组和第二绕组，控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，以使挡光部件遮挡或避让光线。该重力仪可实现快速的开启或断开激光带。

技术领域

本发明涉及一种重力测量设备，具体地说，是涉及一种可实现光路开关快速开启和关断的量子绝对重力仪。

背景技术

光路开关一般应用于激光光束的开关控制，通过旋转挡片到指定位置，可以将光束完全关断，从而达到光路中光束的可控开关。随着光路的小型化，机械快门一般需要具备体积小，噪声小，响应快，关断快速准确等特点。

光路开关通常情况下主要由挡光片，步进电机和驱动电路三个部分组成。挡光片的作用为挡光，通过将挡光片固定在步进电机的转子上，当步进电机转子旋转时，带动挡光片一同旋转，从而实现光路的开与关。这一过程则有驱动电路进行控制，其具体是通过调整流过步进电机的电流大小与方向，来实现对步进电机的控制。

目前常用的步进电机驱动电路为细分驱步法，目前已经被广泛的应用于各种场景并基本能够满足使用需求。其步进电机的驱动电路采用脉冲控制信号来控制转动的角度与速度，通过方向控制信号来实现步进电机的正反转，从而实现光路的开与关。采用细分驱步法驱动步进电机正转或反转时，改变脉冲频率只能进行步进快慢的控制，当给步进电机一较慢的脉冲频率时，挡片会平稳的转动一定角度而不会出现抖动或过冲等失步的情况，但时间上无法满足快速关断的要求。当加快脉冲频率后，挡片在到达挡光位置时还有一定的速度，导致其最终在挡光位置附近来回抖动影响挡光效果。虽然这种抖动可通过调整细分拨码开关进行调整，比如增大细分数从而减小抖动，但这种解决方案会增大光路的关断时间，无法适用于需要快速开关的应用场景中。

此外，在需要快速光开关的小型化光路中，一般要求步进电机直径不超过15mm，步进电机长度不超过20mm，同时又要求关断最大10mm的光斑。常见该体积的步进电机转子转动惯量小于10gm^2，而挡光片的转动惯量大于不仅步进电机转子本身的转动惯量，这样，当挡光片转动惯量过大时，采用传统的细分驱步法就会存在挡光片在到达指定位置后，由于惯性继续往前运动，造成的抖动。例如：常见的满足体积要求的20步步进电机(单步18度，转矩约1mNm)，在安装挡光片后，单步步进时间约为4ms，步进两步到36度的时间约为6ms，但由于惯性会在该角度附近来回摆动，最终停止时间约100ms左右，初次过冲的最大角度可达18度以上，过冲会影响挡光效果，一般为了机械快门能快速响应，设计的挡光片形状略大于光斑尺寸，一旦过冲超过2-3度左右就无法进行关断，所以传统的细分驱步无法适用于需要快速光开关的小型化光路中。

量子绝对重力仪是小型化光路开关的主要应用场景之一，现有的新型的高精度绝对重力测量仪器一般利用微观的原子作为测试质量体，基于冷原子物质波干涉的方法实现精密的重力加速度测量。冷原子作为一团独特的量子物质，利用它可以实现类似与光波干涉的原子物质波干涉，通过激光脉冲实现原子波包的分束、偏转、合束，从而实现原子干涉条纹，重力加速度会改变微观原子的下落路径，因此改变干涉条纹的相位。通过提取原子干涉条纹的相位，得到重力加速度的信息。在该仪器中，光路的快速启闭在捕获、冷却、干涉及探测原子的过程中至关重要，其直接影响最后的测量精度。

基于此，光路开关的快速关断在小型化光路应用场景的重要指标，如何在实现快速关断的同时，避免终止位附近的抖动是目前光路开关研究领域的主要难点之一。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的目的是提供量子绝对重力仪，该重力仪可实现快速的开启或断开激光带，可有效提高重力测量结果精确度。