一种基于HOM干涉原理的新型重力仪制造技术

一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，包括纠缠源(1)、延时器(2)、第一分束器(3)、应力传感器(4)、待下落棱镜(5)、参考棱镜(6)、第二分束器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、符合测量逻辑计算器(10)、原子钟(11)、控制器。首先调整延时器(2)延时，使闲置光与经过初位置的信号光发生相消干涉，然后待下落棱镜(5)自由落体至末位置，记录自由落体时间，再调整延时器(2)延时，使闲置光与经过末位置的信号光发生相消干涉，最后控制器根据两延时的差值、初时刻末时刻的差值，得到重力加速度。本发明专利技术是通过HOM干涉原理实现了高精度重力加速度的测量，能够广泛用于计量、测绘、地球物理、海洋探测和空间科学等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于HOM干涉原理的新型重力仪
本专利技术涉及重力探测领域，特别是一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，可以实现高精度重力加速度g的测量，为分析重力场的变化规律、地壳的运动和结构、地表重力场参数等提供实验数据，能够广泛应用于计量、测绘、地球物理、海洋探测和空间科学等领域。
技术介绍
重力测量最早可追溯到16世纪伽利略的比萨斜塔自由落体实验,随着量子力学和时频技术的发展，绝对重力测量(g，常用值9.81m/s2)的准确度也在不断提高，并广泛应用于计量、测绘、地质、地震和资源勘探等多个领域。意大利国家计量院研制了IMGC-2型绝对重力仪，是采用上抛-下落原理的高精度绝对重力仪。美国JILA实验室Faller的研究小组曾研制六台JILA-g型绝对重力仪，提供给多个国家的计量和测绘部门使用，后来Niebauer等在JILA-g的基础上进行改进，实现了高精度绝对重力仪的商品化，即目前Micro-g公司生产的FG-5型绝对重力仪。1999年朱棣文等发表在基于原子干涉仪的高精度绝对重力测量结果，在精密物理测量领域引起广泛关注。2012年清华大学也自主研制了T-1型可搬运式高精度绝对重力仪，可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。目前可实现的高精度重力仪方案多种多样，但是在分辨率提高和工程实现上都存在各种各样的问题。例如基于经典光学的重力仪，要求所使用的光源带宽越宽越好，但是光源的线宽会引起色散问题；原子干涉重力仪精度较高，但是在工程化方面，成熟度低，体积庞大且不能实现连续测量，基于此，本专利技术设计了一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，一方面可以克服经典光学重力仪的色散问题，还能实现高精度重力加速度g的测量。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度的可广泛用于计量、测绘、地球物理、海洋探测和空间科学等领域的新型重力仪。本专利技术的技术解决方案是：一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，包括纠缠源、延时器、第一分束器、应力传感器、待下落棱镜、参考棱镜、第二分束器、第一探测器、第二探测器、符合测量逻辑计算器、原子钟、控制器，其中纠缠源，在待下落棱镜位于初位置时产生包括信号光和闲置光的第一纠缠光子序列，将第一纠缠光子序列中的闲置光送至延时器，将第一纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器，待下落棱镜自由落体至末位置后，产生包括信号光和闲置光的第二纠缠光子序列，并将第二纠缠光子序列中的闲置光送至延时器，将第二纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器；延时器，调整第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光的延时后分别送至第一分束器；第一分束器，对第一纠缠光子序列中的信号光、第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使两束信号光沿竖直向上方向传输，将第一纠缠光子序列中的信号光送至初位置的待下落棱镜，将第二纠缠光子序列中的信号光送至末位置的待下落棱镜，对延时后的第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光进行透射后分别送至第二分束器；应力传感器，当待下落棱镜自由落体至末位置时，控制原子钟记录待下落棱镜自由落体至末位置的时刻t2；待下落棱镜，在应力传感器上方的初位置时对第一分束器反射的第一纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第一纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜，自由落体至应力传感器后，对第一分束器反射的第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第二纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜；参考棱镜，反射待下落棱镜反射的第一纠缠光子序列中的信号光、第二纠缠光子序列中的信号光后送至第二分束器；第二分束器，接收发生干涉后的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后进行反射和透射，接收发生干涉后的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后进行反射和透射；第一探测器，探测第二分束器反射的发生干涉的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第一电信号并送至符合测量逻辑计算器，探测第二分束器反射的发生干涉的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第三电信号并送至符合测量逻辑计算器；第二探测器，探测第二分束器透射的发生干涉的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第二电信号并送至符合测量逻辑计算器，探测第二分束器透射的发生干涉的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第四电信号并送至符合测量逻辑计算器；符合测量逻辑计算器，接收第一电信号、第二电信号后对两信号做符合关联计数，记录符合关联计数为0对应的延时器延时τ1，接收第三电信号、第四电信号后对探测器输出的信号做符合关联计数，记录符合关联计数为0对应的延时器延时τ2，并将延时τ1、延时τ2送至控制器；原子钟，记录待下落棱镜开始自由落体的时刻为t1，记录待下落棱镜自由落体至末位置的时刻并记为t2；控制器，接收符合测量逻辑计算器发送的延时τ1、延时τ2，并读取原子钟记录的t1、t2后计算得到重力加速度其中，c为光速，Δτ＝τ2-τ1，Δt＝t2-t1；所述初位置为待下落棱镜在应力传感器上方且未开始自由落体的位置；所述末位置为待下落棱镜自由落体至应力传感器时的位置。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术是基于上抛-下落方式实现的重力测量装置，可以在保持传统上抛-下落方式重力仪的光学系统、整体外观形状不变的基础上进行内部结构的局部调整即可，工程实现上较为简单；(2)本专利技术与现有技术相比，使用HOM干涉原理探测超短相干时间光子的相干时间测量来计算重力加速度g，精度更高；(3)本专利技术与现有的经典光学的重力仪相比，克服经典光学重力仪的色散问题。附图说明图1为本专利技术重力仪的装置图；图2为本专利技术光束的垂直度调节方法装置图。具体实施方式HOM干涉，是Mande等人于1987年在实验室条件下演示的双光子干涉实验，后来被称为Hong-Ou-Mande干涉。HOM干涉的一个重要意义在于可用于探测超短相干时间光子的相干时间，凭借该技术可以实现高精度重力加速度g的测量，不仅可以为分析重力场的变化规律、地壳的运动和结构、地表重力场参数等提供实验数据，还可广泛用于计量、测绘、地球物理、海洋探测和空间科学等领域。本专利技术是基于HOM干涉原理实现的新型重力仪，技术成熟度较高，且工程实现简单。下面将结合附图对本专利技术一种基于HOM干涉原理的新型重力仪的具体实施方式做进一步详细的说明，如图1所示，本专利技术包括纠缠源1、延时器2、第一分束器3、应力传感器4、待下落棱镜5、参考棱镜6、第二分束器7、第一探测器8、第二探测器9、符合测量逻辑计算器10、原子钟11、控制器。纠缠源1产生包括信号光和闲置光的纠缠光子序列；延时器2放置于闲置光路中，用于时序控制，调整延时器2可以调整其延时τ，使得经待下落棱镜5初位置、待下落棱镜5末位置两个位置的信号光分别与闲置光在第二分束器7处发生干涉，记录经过待下落棱镜5初位置并与闲置光在第二分束器7处发生干涉的信号光延时为τ1，待下落棱镜5末位置并与闲置光在第二分束器7处发生干涉的信号光延时为τ2；第一分束器3与第二分束器7依次放置于延时器2的后面，第一探测器8和第二探测器9的前面，用于对信号光和闲置光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，其特征在于包括纠缠源(1)、延时器(2)、第一分束器(3)、应力传感器(4)、待下落棱镜(5)、参考棱镜(6)、第二分束器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、符合测量逻辑计算器(10)、原子钟(11)、控制器，其中纠缠源(1)，在待下落棱镜(5)位于初位置时产生包括信号光和闲置光的第一纠缠光子序列，将第一纠缠光子序列中的闲置光送至延时器(2)，将第一纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器(3)，待下落棱镜(5)自由落体至末位置后，产生包括信号光和闲置光的第二纠缠光子序列，并将第二纠缠光子序列中的闲置光送至延时器(2)，将第二纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器(3)；延时器(2)，调整第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光的延时后分别送至第一分束器(3)；第一分束器(3)，对第一纠缠光子序列中的信号光、第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使两束信号光沿竖直向上方向传输，将第一纠缠光子序列中的信号光送至初位置的待下落棱镜(5)，将第二纠缠光子序列中的信号光送至末位置的待下落棱镜(5)，对延时后的第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光进行透射后分别送至第二分束器(7)；应力传感器(4)，当待下落棱镜(5)自由落体至末位置时，控制原子钟(11)记录待下落棱镜(5)自由落体至末位置的时刻t2；待下落棱镜(5)，在应力传感器(4)上方的初位置时对第一分束器(3)反射的第一纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第一纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜(6)，自由落体至应力传感器(4)后，对第一分束器(3)反射的第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第二纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜(6)；参考棱镜(6)，反射待下落棱镜(5)反射的第一纠缠光子序列中的信号光、第二纠缠光子序列中的信号光后送至第二分束器(7)；第二分束器(7)，接收发生干涉后的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后进行反射和透射，接收发生干涉后的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后进行反射和透射；第一探测器(8)，探测第二分束器(7)反射的发生干涉的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第一电信号并送至符合测量逻辑计算器(10)，探测第二分束器(7)反射的发生干涉的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第三电信号并送至符合测量逻辑计算器(10)；第二探测器(9)，探测第二分束器(7)透射的发生干涉的第一纠缠光子序列中的信号光与第一纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第二电信号并送至符合测量逻辑计算器(10)，探测第二分束器(7)透射的发生干涉的第二纠缠光子序列中的信号光与第二纠缠光子序列中的闲置光后的光信号，产生第四电信号并送至符合测量逻辑计算器(10)；符合测量逻辑计算器(10)，接收第一电信号、第二电信号后对两信号做符合关联计数，记录符合关联计数为0对应的延时器(2)延时τ1，接收第三电信号、第四电信号后对探测器输出的信号做做符合关联计数，记录符合关联计数为0对应的延时器(2)延时τ2，并将延时τ1、延时τ2送至控制器；原子钟(11)，记录待下落棱镜(5)开始自由落体的时刻为t1，记录待下落棱镜(5)自由落体至末位置的时刻并记为t2；控制器，接收符合测量逻辑计算器(10)发送的延时τ1、延时τ2，并读取原子钟(11)记录的t1、t2后计算得到重力加速度其中，c为光速，Δτ＝τ2‑τ1，Δt＝t2‑t1；所述初位置为待下落棱镜(5)在应力传感器(4)上方且未开始自由落体的位置；所述末位置为待下落棱镜(5)自由落体至应力传感器(4)时的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于HOM干涉原理的新型重力仪，其特征在于包括纠缠源(1)、延时器(2)、第一分束器(3)、应力传感器(4)、待下落棱镜(5)、参考棱镜(6)、第二分束器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、符合测量逻辑计算器(10)、原子钟(11)、控制器，其中纠缠源(1)，在待下落棱镜(5)位于初位置时产生包括信号光和闲置光的第一纠缠光子序列，将第一纠缠光子序列中的闲置光送至延时器(2)，将第一纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器(3)，待下落棱镜(5)自由落体至末位置后，产生包括信号光和闲置光的第二纠缠光子序列，并将第二纠缠光子序列中的闲置光送至延时器(2)，将第二纠缠光子序列中的信号光送至第一分束器(3)；延时器(2)，调整第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光的延时后分别送至第一分束器(3)；第一分束器(3)，对第一纠缠光子序列中的信号光、第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使两束信号光沿竖直向上方向传输，将第一纠缠光子序列中的信号光送至初位置的待下落棱镜(5)，将第二纠缠光子序列中的信号光送至末位置的待下落棱镜(5)，对延时后的第一纠缠光子序列中的闲置光、第二纠缠光子序列中的闲置光进行透射后分别送至第二分束器(7)；应力传感器(4)，当待下落棱镜(5)自由落体至末位置时，控制原子钟(11)记录待下落棱镜(5)自由落体至末位置的时刻t2；待下落棱镜(5)，在应力传感器(4)上方的初位置时对第一分束器(3)反射的第一纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第一纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜(6)，自由落体至应力传感器(4)后，对第一分束器(3)反射的第二纠缠光子序列中的信号光进行反射后使第二纠缠光子序列中的信号光沿竖直向下方向传输，送至参考棱镜(6)；参考棱镜(6)，反射待下落棱镜(5)反射的第一纠缠光子序列中的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵连洁，王增斌，张安宁，霍娟，李明飞，杨然，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11