一種基于hom干涉原理的新型重力儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及重力探測領(lǐng)域，特別是一種基于H0M干涉原理的新型重力儀，可以實 現(xiàn)高精度重力加速度g的測量，為分析重力場的變化規(guī)律、地殼的運動和結(jié)構(gòu)、地表重力場 參數(shù)等提供實驗數(shù)據(jù)，能夠廣泛應(yīng)用于計量、測繪、地球物理、海洋探測和空間科學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 重力測量最早可追溯到16世紀伽利略的比薩斜塔自由落體實驗，隨著量子力學(xué) 和時頻技術(shù)的發(fā)展，絕對重力測量（g，常用值9. 81m/s2)的準確度也在不斷提高，并廣泛應(yīng) 用于計量、測繪、地質(zhì)、地震和資源勘探等多個領(lǐng)域。
[0003] 意大利國家計量院研制了MGC-2型絕對重力儀，是采用上拋-下落原理的高精度 絕對重力儀。美國JILA實驗室Faller的研宄小組曾研制六臺JILA-g型絕對重力儀，提供 給多個國家的計量和測繪部門使用，后來Niebauer等在JILA-g的基礎(chǔ)上進行改進，實現(xiàn)了 高精度絕對重力儀的商品化，即目前Micro-g公司生產(chǎn)的FG-5型絕對重力儀。1999年朱棣 文等發(fā)表在基于原子干涉儀的高精度絕對重力測量結(jié)果，在精密物理測量領(lǐng)域引起廣泛關(guān) 注。2012年清華大學(xué)也自主研制了T-1型可搬運式高精度絕對重力儀，可實現(xiàn)微伽量級不 確定度的精密重力測量。
[0004]目前可實現(xiàn)的高精度重力儀方案多種多樣，但是在分辨率提高和工程實現(xiàn)上都存 在各種各樣的問題。例如基于經(jīng)典光學(xué)的重力儀，要求所使用的光源帶寬越寬越好，但是光 源的線寬會引起色散問題；原子干涉重力儀精度較高，但是在工程化方面，成熟度低，體積 龐大且不能實現(xiàn)連續(xù)測量，基于此，本發(fā)明設(shè)計了一種基于H0M干涉原理的新型重力儀，一 方面可以克服經(jīng)典光學(xué)重力儀的色散問題，還能實現(xiàn)高精度重力加速度g的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高精度的可廣泛用 于計量、測繪、地球物理、海洋探測和空間科學(xué)等領(lǐng)域的新型重力儀。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于H0M干涉原理的新型重力儀，包括糾纏源、延 時器、第一分束器、應(yīng)力傳感器、待下落棱鏡、參考棱鏡、第二分束器、第一探測器、第二探測 器、符合測量邏輯計算器、原子鐘、控制器，其中
[0007] 糾纏源，在待下落棱鏡位于初位置時產(chǎn)生包括信號光和閑置光的第一糾纏光子序 列，將第一糾纏光子序列中的閑置光送至延時器，將第一糾纏光子序列中的信號光送至第 一分束器，待下落棱鏡自由落體至末位置后，產(chǎn)生包括信號光和閑置光的第二糾纏光子序 列，并將第二糾纏光子序列中的閑置光送至延時器，將第二糾纏光子序列中的信號光送至 第一分束器；
[0008]延時器，調(diào)整第一糾纏光子序列中的閑置光、第二糾纏光子序列中的閑置光的延 時后分別送至第一分束器；
[0009]第一分束器，對第一糾纏光子序列中的信號光、第二糾纏光子序列中的信號光進 行反射后使兩束信號光沿豎直向上方向傳輸，將第一糾纏光子序列中的信號光送至初位置 的待下落棱鏡，將第二糾纏光子序列中的信號光送至末位置的待下落棱鏡，對延時后的第 一糾纏光子序列中的閑置光、第二糾纏光子序列中的閑置光進行透射后分別送至第二分束 器；
[0010] 應(yīng)力傳感器，當(dāng)待下落棱鏡自由落體至末位置時，控制原子鐘記錄待下落棱鏡自 由落體至末位置的時刻t2;
[0011] 待下落棱鏡，在應(yīng)力傳感器上方的初位置時對第一分束器反射的第一糾纏光子序 列中的信號光進行反射后使第一糾纏光子序列中的信號光沿豎直向下方向傳輸，送至參考 棱鏡，自由落體至應(yīng)力傳感器后，對第一分束器反射的第二糾纏光子序列中的信號光進行 反射后使第二糾纏光子序列中的信號光沿豎直向下方向傳輸，送至參考棱鏡；
[0012] 參考棱鏡，反射待下落棱鏡反射的第一糾纏光子序列中的信號光、第二糾纏光子 序列中的信號光后送至第二分束器；
[0013] 第二分束器，接收發(fā)生干涉后的第一糾纏光子序列中的信號光與第一糾纏光子序 列中的閑置光后進行反射和透射，接收發(fā)生干涉后的第二糾纏光子序列中的信號光與第二 糾纏光子序列中的閑置光后進行反射和透射；
[0014] 第一探測器，探測第二分束器反射的發(fā)生干涉的第一糾纏光子序列中的信號光與 第一糾纏光子序列中的閑置光后的光信號，產(chǎn)生第一電信號并送至符合測量邏輯計算器， 探測第二分束器反射的發(fā)生干涉的第二糾纏光子序列中的信號光與第二糾纏光子序列中 的閑置光后的光信號，產(chǎn)生第三電信號并送至符合測量邏輯計算器；
[0015] 第二探測器，探測第二分束器透射的發(fā)生干涉的第一糾纏光子序列中的信號光與 第一糾纏光子序列中的閑置光后的光信號，產(chǎn)生第二電信號并送至符合測量邏輯計算器， 探測第二分束器透射的發(fā)生干涉的第二糾纏光子序列中的信號光與第二糾纏光子序列中 的閑置光后的光信號，產(chǎn)生第四電信號并送至符合測量邏輯計算器；
[0016] 符合測量邏輯計算器，接收第一電信號、第二電信號后對兩信號做符合關(guān)聯(lián)計數(shù)， 記錄符合關(guān)聯(lián)計數(shù)為〇對應(yīng)的延時器延時Ti，接收第三電信號、第四電信號后對探測器輸 出的信號做做符合關(guān)聯(lián)計數(shù)，記錄符合關(guān)聯(lián)計數(shù)為〇對應(yīng)的延時器延時T2，并將延時Tp 延時T2送至控制器；
[0017] 原子鐘，記錄待下落棱鏡開始自由落體的時刻為，記錄待下落棱鏡自由落體至 末位置的時刻并記為t2;
[0018] 控制器，接收符合測量邏輯計算器發(fā)送的延時h、延時T2，并讀取原子鐘記錄的 cA r V1：2后計算得到重力加速度g ，其中，C為光速，AT=T2-Ti，At= 1：2-1：1;所 述初位置為待下落棱鏡在應(yīng)力傳感器上方且未開始自由落體的位置；所述末位置為待下落 棱鏡自由落體至應(yīng)力傳感器時的位置。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0020] (1)本發(fā)明是基于上拋-下落方式實現(xiàn)的重力測量裝置，可以在保持傳統(tǒng)上拋-下 落方式重力儀的光學(xué)系統(tǒng)、整體外觀形狀不變的基礎(chǔ)上進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整即可，工 程實現(xiàn)上較為簡單；
[0021] (2)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用H0M干涉原理探測超短相干時間光子的相干時 間測量來計算重力加速度g，精度更高；
[0022] (3)本發(fā)明與現(xiàn)有的經(jīng)典光學(xué)的重力儀相比，克服經(jīng)典光學(xué)重力儀的色散問題。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明重力儀的裝置圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明光束的垂直度調(diào)節(jié)方法裝置圖。
【具體實施方式】
[0025]H0M干涉，是Mande等人于1987年在實驗室條件下演示的雙光子干涉實驗，后來被 稱為Hong-Ou-Mande干涉。H0M干涉的一個重要意義在于可用于探測超短相干時間光子的 相干時間，憑借該技術(shù)可以實現(xiàn)高精度重力加速度g的測量，不僅可以為分析重力場的變 化規(guī)律、地殼的運動和結(jié)構(gòu)、地表重力場參數(shù)等提供實驗數(shù)據(jù)，還可廣泛用于計量、測繪、地 球物理、海洋探測和空間科學(xué)等領(lǐng)域。本發(fā)明是基于H0M干涉原理實現(xiàn)的新型重力儀，技術(shù) 成熟度較高，且工程實現(xiàn)簡單。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明一種基于H0M干涉原理的新型重 力儀的【具體實施方式】做進一步詳細的說明，如圖1所示，本發(fā)明包括糾纏源1、延時器2、第 一分束器3、應(yīng)力傳感器4、待下落棱鏡5、參考棱鏡6、第二分束器7、第一探測器8、第二探 測器9、符合測量邏輯計算器10、原子鐘11、控制器。
[0026] 糾纏源1產(chǎn)生包括信號光和閑置光的糾纏光子序列；延時器2放置于閑置光路中， 用于時序控制，調(diào)整延時器2可以調(diào)整其延時t，使得經(jīng)待下落棱鏡5初位置、待下落棱鏡 5末位置兩個位置的信號光分別與閑置光在第二分束器7處發(fā)生干涉，記錄經(jīng)過待下落棱 鏡5初位置并與閑置光在第二分束器7處發(fā)生干涉的信號光延時為ti，待下落棱鏡5末位 置并與閑置光在第二分束器7處發(fā)生干涉的信號光延時為T 2;第一分束器3與第二分束器 7依次放置于延時器2的后面，第一探測器8和第二探測器9的前面，用于對信號光和閑置 光的分束；應(yīng)力傳感器4放置于待下落棱鏡5的下方、第一分束器3上方，一方面用于支撐 待下落棱鏡5, 一方面用于應(yīng)力傳感，當(dāng)待下落棱鏡5下落到應(yīng)力傳感器4上（待下落棱鏡5 末位置）時，高靈敏度應(yīng)力傳感器4將應(yīng)力信號轉(zhuǎn)化為電信號，直接控制原子鐘計時；待下 落棱鏡5放置于應(yīng)力傳感器4的正上方（為待下落棱鏡5初位置），作為測量介質(zhì)；參考棱 鏡6放置于待下落棱鏡5的右下方，采用長周期地震儀懸掛激光干涉裝置，用于降低地面微 振動對重力精密測量的影響；第二分束器7位于第一分束器3后方、參考棱鏡6的右上方； 第一探測器8和第二探測器9分別放置于第二分束器7的兩個出射端，用于接收信號光和 閑置光，并將接收到的信號輸出到符合測量邏輯計算器10 ;符合測量邏輯計算器10接收第 一探測器8、第二探測器9探測后產(chǎn)生的電信號，并進行符合關(guān)聯(lián)計數(shù)；原子鐘11與應(yīng)力傳 感器4連接，用于提供初末位置時間測量基準并記錄兩個位置時刻tJP12;控制器使用延 時差及初末位置時間差計算重力加速度。
[0027] 糾纏源1產(chǎn)生糾纏光子序列，將糾纏光子序列中的信號光入射到第一分束器3,第 一分束器3對信號光進行反射，沿豎直向上方向傳輸，入射到待下落棱鏡5初位置處的待下 落棱鏡5,待下落棱鏡5對信號光進行回射，沿豎直向下方向傳播，入射到參考棱鏡6,參考 棱鏡6回射后送至第二分束器7 ;將糾纏光子序列中的閑置光送至延時器2,延時器2調(diào)整 閑置光的延時t后入射到第一分束器3,第一分束器3進行透