冷原子重力梯度儀的制作方法
【專利說(shuō)明】冷原子重力梯度儀
【背景技術(shù)】
[0001] 精確的重力或加速度測(cè)量在很多的技術(shù)領(lǐng)域是重要的。例如，在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中， 可使用精確測(cè)量的加速度作為時(shí)間函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確地跟蹤諸如船或飛行器之類的移動(dòng)主體的 軌跡。然而，當(dāng)嘗試精確地測(cè)量純加速度時(shí)，必須小心操作以確保測(cè)量結(jié)果并未由于局部重 力場(chǎng)的變化而偏斜。這是因?yàn)榫植考铀俣仍谖锢砩喜荒芘c局部重力場(chǎng)區(qū)別開。該等效首先 被艾伯特?愛(ài)因斯坦認(rèn)識(shí)到，且現(xiàn)在成為愛(ài)因斯坦等效原理，其對(duì)要求高精度的任何慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)帶來(lái)了麻煩。然而，可通過(guò)重力梯度儀來(lái)改善慣性測(cè)量以幫助確定是否諸如山之類 的任何大型局部質(zhì)量異常正在擾亂局部重力場(chǎng)，并且因此系統(tǒng)地影響局部加速度測(cè)量。
[0002] 可使用局部重力場(chǎng)的精確地圖來(lái)識(shí)別地下異常，諸如油氣儲(chǔ)層或地下燃料 (sub-surfacebunkers)?？赏ㄟ^(guò)其局部重力梯度標(biāo)志的表征來(lái)從噪聲信號(hào)唯一地識(shí)別此 類地下結(jié)構(gòu)或異常。
[0003] 任何兩個(gè)質(zhì)量之間的引力與它們之間的距離的平方成反比例。此外，將局部重力 梯度定義成作為沿著梯度儀的測(cè)量軸的距離的函數(shù)的局部重力場(chǎng)的變化。如圖1A中所示， 由地球產(chǎn)生的局部重力場(chǎng)呈現(xiàn)出沿著z軸的自然梯度。為了確定沿著z方向的局部重力梯 度，例如為了確定地球的局部重力梯度，必須在例如分開距離z處進(jìn)行兩次局部重力測(cè)量。 圖1A示出了用gzl和gz2表示的兩次此類測(cè)量的結(jié)果。通過(guò)對(duì)兩次測(cè)量做減法并除以它們 之間的距離來(lái)確定一維重力梯度
[0004]
[0005] 作為固有差分測(cè)量的重力梯度測(cè)量?jī)?yōu)于噪聲系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單加速度/重力測(cè)量，尤 其是在可通過(guò)差分化程序來(lái)有效地消除共模噪聲的情況下。
[0006] 可以各種方式來(lái)測(cè)量局部重力或者等效地局部加速度。例如，可使用冷原子干涉 儀來(lái)測(cè)量局部加速度。圖1B示出了用于測(cè)量成對(duì)冷原子樣本所經(jīng)歷的局部加速度的公知 冷原子重力梯度儀的示例。通過(guò)使冷原子的樣本暴露于光脈沖序列以促使原子分裂并沿著 干涉儀的兩個(gè)支腿行進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量，與在光學(xué)干涉儀中發(fā)生的并無(wú)太大不同。在光 學(xué)情況下，最佳地將光理解為電磁波，而在冷原子的情況下，最佳地將原子理解為物質(zhì)波， 其具有由A=h/p給定的波長(zhǎng)，其中，物質(zhì)波的波長(zhǎng)A與原子的動(dòng)量成反比例，并且h是 普朗克常數(shù)。M.J.Snadden、J.M.McGuirk、P.Bouyer、K.G.Haritos以及M.A.Kasevich在 PhysicalReviewLetters81,971(1998)中的"MeasurementoftheEarth'sGravity GradientwithanAtomInterferometer-BasedGravityGradiometer'，中公開了基于冷 原子的此類物質(zhì)波干涉儀，下面參考圖IB來(lái)概括其一部分。
[0007] 圖1B的設(shè)備包括在兩個(gè)單獨(dú)磁光阱中被俘獲并冷卻的冷原子的兩個(gè)樣本。磁光 阱由冷原子云中的循環(huán)躍迀進(jìn)行略微紅失諧的頻率穩(wěn)定俘獲激光束119形成。通常，需要 復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)以從單個(gè)俘獲激光束119生成12個(gè)俘獲激光束。該系統(tǒng)（未示出）通常 要求多個(gè)射束分離器、反射鏡以及偏振元件來(lái)產(chǎn)生六對(duì)相反傳播俘獲激光束（在圖中示為 在冷原子樣本106和104處會(huì)聚的箭頭）。磁阱在單獨(dú)真空室（未示出）內(nèi)在空間上分離。 使用被激勵(lì)的雙光子拉曼激光脈沖的（Ji/2-31 -JI/2)脈沖序列來(lái)完成加速度測(cè)量。雙光 子拉曼脈沖驅(qū)動(dòng)原子的狀態(tài)按時(shí)地在兩個(gè)原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)之間振蕩，稱為拉比振蕩的 現(xiàn)象。如在本領(lǐng)域中已知的，如果兩個(gè)拉曼激光束相反地傳播，則該三脈沖（/2_ 31 _ 31 /2) 序列結(jié)果形成原子干涉儀。在圖1B中所示的系統(tǒng)中，從在自由空間中傳播到偏振射束分離 器105的雙頻射束103產(chǎn)生相向傳播的拉曼激光束。然后用偏振射束分離器105將射束分 離，具有第一頻率的射束筆直地通過(guò)射束分離立方體105傳播且因此立即通過(guò)兩個(gè)冷 原子云。具有第二頻率《 2的射束被射束分離器105和射束分離器107反射出去，并且然 后平行于第一射束傳播到反射鏡109和110,其使第二射束重定向在與第一射束的傳播方 向相反的方向上通過(guò)兩個(gè)冷原子云。
[0008] 通過(guò)對(duì)使用在兩個(gè)位置101和103中的每一個(gè)處的兩個(gè)原子干涉儀測(cè)量的兩個(gè)原 子相移做減法來(lái)測(cè)量沿著兩個(gè)冷原子樣本的拉曼射束的方向的相對(duì)加速度。原子相移是從 基態(tài)下的測(cè)量原子集居數(shù)（atompopulation)獲得的導(dǎo)出量。（如下所述，在拉曼脈沖之后 的基態(tài)中發(fā)現(xiàn)的原子的數(shù)目由于例如重力加速度或繞著垂直于干涉儀平面的軸的旋轉(zhuǎn)而 隨著在干涉儀的一個(gè)支腿中引入的相位差而正弦地改變。）經(jīng)由共振熒光來(lái)確定測(cè)量的原 子集居數(shù)。更具體地，在原子上短暫地以脈沖發(fā)射（pulse)被調(diào)諧至與循環(huán)躍迀共振的探 測(cè)射束117。通常，探測(cè)射束117是不同于拉曼射束的射束，并且經(jīng)由射束分離器107被引 入到系統(tǒng)中。類似于拉曼射束103,探測(cè)射束117被反射鏡109和110重定向，從而與冷原 子樣本106和104重疊。從原子所產(chǎn)生的熒光被探測(cè)器113和115拾取。然后，可使用已 知且已確認(rèn)的物理模型從檢測(cè)到的熒光的量推斷處于基態(tài)的原子的數(shù)目。
[0009]如上文提到的，存在于基態(tài)的原子的數(shù)目取決于干涉儀的支腿之間的測(cè)量相位， 并且可使用關(guān)系式於來(lái)找到，其中，P是原子處于基態(tài)的概率，其為相移引 起的加速度的函數(shù)。對(duì)于以速率g(r)加速的原子而言，= ?識(shí)〃)#其中，丁 是連續(xù)拉曼射束脈沖之間的時(shí)間，并且&和€分別是用于頻率《 :和《 2的拉曼射束的傳播 矢量。因此，通過(guò)測(cè)量基態(tài)集居數(shù)，可確定相位差於(f)并從而確定g(r)在測(cè)量軸上的投 影。此外，然后通過(guò)用相對(duì)加速度除以其中進(jìn)行加速度測(cè)量的兩個(gè)位置之間的距離來(lái)確定 加速度梯度。
[0010] 鑒于上述內(nèi)容，圖1B中所示的重力梯度儀是相當(dāng)復(fù)雜的。如在圖中可以看到的， 需要多個(gè)不同的激光源以創(chuàng)建12個(gè)磁光射束、兩個(gè)拉曼激光束以及熒光探測(cè)束。此外，圖 1B中所述的系統(tǒng)要求將每個(gè)磁光阱容納在單獨(dú)真空室121和123中。
[0011]另外，在美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)12/921，519( "'519申請(qǐng)"）中公開了基于冷原子干涉 測(cè)量的慣性測(cè)量的示例。'519申請(qǐng)的干涉儀是基于磁光阱，其將單個(gè)角錐逆反射器用于絕 對(duì)加速度/重力測(cè)量。'519申請(qǐng)的系統(tǒng)不能測(cè)量重力梯度，并且另外對(duì)單個(gè)角錐逆反射器 中的振動(dòng)噪聲敏感。由于等效原理，任何振動(dòng)噪聲都作為不能與重力信號(hào)區(qū)別開的噪聲出 現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了介紹在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的概念的選擇。本發(fā)明 內(nèi)容并不意圖識(shí)別要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或本質(zhì)特征，其也不意圖用作限制要求保護(hù) 的主題的范圍的輔助。
[0013] 根據(jù)下述實(shí)施方式，在這里公開了一種冷原子重力梯度儀，其使用單個(gè)激光束來(lái) 執(zhí)行多次（例如，兩次或更多）相對(duì)加速度（或者等效地局部重力）測(cè)量。更確切地，根據(jù) 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，所述單個(gè)激光束可被兩個(gè)或更多反射器反射而形成原子阱，并且可 將同一激光束用于形成原子干涉儀和進(jìn)行集居數(shù)測(cè)量。因此，可大大地降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù) 雜性。同樣地，大大地簡(jiǎn)化了光學(xué)校準(zhǔn)的難度和制造過(guò)程的復(fù)雜性，因?yàn)橹恍枰箮讉€(gè)光學(xué) 件精確地對(duì)準(zhǔn)，即用于產(chǎn)生磁光阱的反射器和用于產(chǎn)生逆反射拉曼射束的逆反射器（如下 所述，根據(jù)所部屬的實(shí)施方式，該逆反射器可以是角錐反射器的一部分或集成到其中，或者 可不這樣）。此外，由于一系列反射器的使用，用于每個(gè)連續(xù)磁光阱的所有射束都從單個(gè)激 光束產(chǎn)生。換言之，來(lái)自單個(gè)激光束的6N個(gè)俘獲射束的產(chǎn)生僅要求N個(gè)反射器。此外，可 將同一激光束用于拉曼射束、俘獲激光束以及熒光檢測(cè)射束。
[0014] 一般地，在一個(gè)方面，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式針對(duì)冷原子重力梯度儀系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生沿著傳播方向傳播的激光束的激光源、第一反射器和第二反射器。第 一反射器反射激光束的第一部分并透射激光束的第二部分。第二反射器沿著傳播方向與第 一反射器在空間上分離，并且第二反射器反射激光束的第二部分。
[0015] 根據(jù)一個(gè)變化例，第一反射器可包括：第一反射表面，其被布置成反射激光束的第 一部分以產(chǎn)生用于俘獲冷原子的第一樣本的多個(gè)第一俘獲激光束；以及中心孔，其布置在 第一反射器內(nèi)，其允許激光束的第二部分透射穿過(guò)第一反射器。
[0016] 根據(jù)一個(gè)變化例，第二反射器可包括第二反射表面，其被布置成反射激光束的第 二部分以產(chǎn)生用于俘獲冷原子的第二樣本的多個(gè)第二俘獲激光束。
[0017] 根據(jù)一個(gè)變化例，第二反射表面可包括被布置成將激光束的第二部分穿過(guò)第一反 射器的中心孔逆反射回來(lái)的表面。
[0018] 根據(jù)一個(gè)變化例，冷原子的第一樣本被所述多個(gè)第一俘獲激光束與激光束的逆反 射的第二部分的組合俘獲，并且冷原子的第二樣本被所述多個(gè)第二俘獲激光束與激光束的 逆反射的第二部分的組合俘獲。
[0019] 根據(jù)一個(gè)變化例，冷原子重力梯度儀系統(tǒng)還可包括將激光束的第三部分穿過(guò)第一 和第二反射器反射回來(lái)的第三反射器。冷原子的第一樣本被所述多個(gè)第一俘獲激光束與激 光束的逆反射的第三部分的組合俘獲，并且冷原子的第二樣本被所述多個(gè)第二俘獲激光束 和激光束的逆反射的第三部分的組合俘獲。
[0020] 根據(jù)一個(gè)變化例，冷原子重力梯度儀系統(tǒng)還可包括用于驅(qū)動(dòng)冷原子的第一和第二 樣本中的拉曼躍迀的拉曼激光源。拉曼激光束在局部加速度測(cè)量方向上傳播并穿過(guò)第一反 射器的中心孔，并且第二反射器沿著該局部加速度測(cè)量方向與第一反射器在空間上分離。
[0021] 根據(jù)一個(gè)變化例，拉曼激光源是產(chǎn)生沿著傳播方向傳播的激光束的所述激光源， 其具有用于驅(qū)動(dòng)冷原子樣本中的拉曼躍迀的修改后頻率。
[0022] 根據(jù)一個(gè)變化例，冷原子重力梯度儀系統(tǒng)還可包括沿著激光束傳播方向與第一和 第二反射器兩者在空間上分離的第三反射器。該第三反射器包括