[发明专利]一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪

说明书

本发明公开了一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪，包括真空容器，真空容器内设置三维磁光阱，真空容器外部的一对反亥母霍兹线圈，冷却光入射三维磁光阱，真空容器与真空泵连接，真空容器还通过差分管与二维磁光阱连接，真空容器还与垂直真空管连接，垂直真空管自下至上依次为探测区和干涉区，探测光入射探测区，拉曼光入射干涉区。本发明可实现无死时间、高采样率、高灵敏度的绝对重力测量。

技术领域

本发明属于重力勘测技术领域，具体涉及一种基于双组分原子交织干涉效应的重力仪。

背景技术

重力是物体与地球的万有引力以及地球自转产生的向心力的合力，是计量学中非常重要的一个物理常数。不同于其他物理常数，绝对重力值在不同地点，不同高度是各不相同的，同一地点不同时间的重力值同样也是在变化的，它会受到地球固体潮(地-月之间的距离)，海洋潮汐，大气压，地质结构，地下水等等因素的变化影响。重力值的精密测量在地震及地球物理学研究，地下水等环境监测，资源勘探以及惯性导航等科学研究与应用领域都有极其重要的意义。绝对重力仪是国家重力监测网及监测台站的重要观测仪器，是地质构造，地震前兆等研究获得所需观测数据的重要手段。传统的绝对重力仪是通过精确测量真空中自由下落的棱镜运动距离和下落时间来计算得到绝对重力值，其测量精度可达2μGal(1μGal＝10-⁸m/s²)。以微观粒子的物质波干涉技术为基础的原子干涉重力仪经过二十多年的发展，以其无机械磨损，可长期连续测量，灵敏度和稳定度高等特点，已然成为绝对重力测量领域的重要仪器。

目前的原子干涉重力仪研究主要是基于⁸⁵Rb，⁸⁷Rb和¹³³Cs等单组分的碱金属元素，仅有的几个同步双组分原子干涉仪实验都专注于等效原理验证研究，还鲜有关于双组分原子干涉绝对重力测量的相关技术。由于单组分原子重力仪采样率低，测量死时间长，无法实现真正的“连续”测量，导致基于原子干涉的重力测量技术潜力不能完全展现，这使其在引力波天文学和暗物质探测等基础研究以及惯性导航等应用方面的前景受到严重影响。例如在惯性导航应用中，重力仪作为惯导系统的关键传感器之一，其测量死时间造成的测量信息丢失是导致导航误差的重要因素，也是将来基于原子干涉仪的惯性测量单元研制和应用的严重阻碍。死时间在原子干涉仪中是来自于原子源的制备、选态、干涉前后的飞行以及探测等非干涉过程所需要的时间。死时间的存在会降低仪器的测量灵敏度，使得原子干涉仪达不到可能的最高测量精度。近几年已经有一些研究实现了通过交织上抛⁸⁷Rb原子进行干涉的方式来消除转动角速度测量中的死时间。在原子干涉重力测量系统中，不同于转动测量系统拉曼光与原子的运动方向相互垂直，沿着重力方向的拉曼光与整个原子运行轨迹重叠，很难消除交织上抛过程中两团原子之间冷却、拉曼和探测过程的相互影响。例如单个组分的原子交织干涉时，原子团囚禁和探测过程产生的杂散光会使得处于干涉过程的原子产生非相干的光子吸收和发射，导致干涉条纹对比度极大降低，难以大幅提高采样率和测量精度。因此，目前还未有同时实现高精度、高采样率、零死时间的原子干涉重力测量的相关研究。

为了解决原子干涉重力仪测量采样率低，死时间长的突出问题，充分挖掘用原子干涉法进行重力精密测量的潜力，提高重力测量精度，本发明使用双组分原子交织干涉来进行绝对重力测量，在提高测量采样率和消除死时间的同时，重力测量精度达到优于1μGal水平。相对于单组分交织原子干涉仪，由于两种原子的冷却、回泵和拉曼跃迁互相之间的频率失谐较大，双组分交织干涉模式下一种组分原子和激光间的相互作用操作并不会对另一种组分的原子产生显著的影响。本发明依据上述原子干涉重力测量中存在的问题，设计了有针对性的解决方案：采用⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种原子交织干涉的方式增加测量采样率，消除原子干涉测量的死时间；利用⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种原子的拉曼光快速切换技术作为实现双组分交织干涉仪的技术手段；通过k波矢反转和条纹锁定技术实现测量噪声的抑制、测量采样率和测量精度的提高。从而实现具有高采样率，零死时间的高精度双组分原子交织干涉重力仪。

发明内容