一种基于原子干涉的量子倾斜仪制造技术

本发明专利技术提供了一种基于原子干涉的量子倾斜仪，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；原子干涉模块包括：原子干涉单元和光脉冲序列产生单元；原子干涉单元用于提供原子干涉区，光脉冲产生装置用于提供π/2‑π‑π/2光脉冲序列；原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。本发明专利技术可以实现倾斜的高精度绝对测量，同时本发明专利技术可以实现二维方向的倾斜测量，相对于一维方向的倾斜测量，二维方向的倾斜测量只需更改光脉冲配置，大大简化了实验装置。

A quantum inclinometer based on atom interferometry

The invention provides a quantum inclinometer based on atom interferometry including: atom preparation module, atom interferometer module and atom detection module; atom preparation module for generating interference measurement required atom; atomic interference module includes: atom interferometer unit and optical pulse sequence generating unit; atomic interference unit is used for providing the atomic interference zone optical pulse generation device, for providing Pi Pi /2 PI /2 pulse sequence; atom detection module is used for detecting the interference after the completion of different internal states of atoms. The invention can realize high precision absolute tilt measurement, at the same time, the invention can realize the measurement of tilt two-dimensional direction, inclination measurement relative to the one-dimensional, two-dimensional direction of tilt measurement only need to change the configuration of optical pulse, greatly simplifying the experimental device.

【技术实现步骤摘要】
一种基于原子干涉的量子倾斜仪
本专利技术属于原子惯性测量
，更具体地，涉及一种基于原子干涉的量子倾斜仪。
技术介绍
在过去的二十多年里，原子干涉仪技术得到了迅速的发展和广泛的应用，利用原子具有波粒二象性的量子特性，许多基于原子干涉的精密测量实验得到了快速的发展，广泛应用于测量重力加速度g，重力梯度，转动，精细结构常数，牛顿万有引力常数；原子干涉还用于基础物理中，利用它可以检验等效原理和洛伦兹破缺等，最近法国和美国都提出了原子干涉测量引力波的方案。越来越多的科学家都致力于发展冷原子干涉技术，测量精度和测量手段也都在不断提高。地球形变学在地球物理中有重要的作用，其中地球倾斜的测量，更是在火山地震的监测和预测以及地球潮汐研究中有重要的作用。传统的倾斜仪主要分为长基线倾斜仪和短基线倾斜仪，其中长基线倾斜仪有水管倾斜仪，短基线倾斜仪有垂直摆倾斜仪，水平摆倾斜仪，气泡倾斜仪和折叠摆倾斜仪等。严格来讲，这些倾斜仪都不是绝对的倾斜仪，都很难给出绝对的倾斜角。利用原子干涉测量倾斜已经在一些文献中有所报道，但是量子倾斜仪的概念直到2016年(参考文献：H.Ahlersetal.DoubleBraggInterferometry，Phys.Rev.Lett.，116(2016)173601)才提出来，该量子倾斜仪是基于原子芯片的双衍射Bragg干涉仪，最后实现倾斜测量的灵敏度为0.8mrad/s/Hz1/2。但是该类型的量子倾斜仪的灵敏度比较低，而且并没有给出绝对的倾斜测量。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种基于原子干涉技术的量子倾斜仪，目的是从原理上实现绝对倾斜测量，旨在解决现有技术中不能实现高精度绝对的倾斜测量问题。本专利技术提供了一种基于原子干涉的量子倾斜仪，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；所述原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；所述原子干涉模块包括：第一原子干涉单元和第一光脉冲序列产生单元；所述第一原子干涉单元用于提供原子干涉区，所述第一光脉冲产生装置用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。本专利技术还提供了一种基于原子干涉的量子倾斜仪，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；所述原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；所述原子干涉模块包括：第一原子干涉单元、第二原子干涉单元、第一光脉冲序列产生单元和第二光脉冲序列产生单元；所述第一原子干涉单元和所述第一光脉冲序列产生单元均设置在第一方向，所述第一原子干涉单元用于提供第一方向的原子干涉区，所述第一光脉冲产生装置用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述第二原子干涉单元和所述第二光脉冲序列产生单元均设置在第二方向，所述第二原子干涉单元用于提供第二方向的原子干涉区，所述第二光脉冲序列产生单元用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。更进一步地，所述第一原子干涉单元包括：用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π/2脉冲的干涉区域的第一单元，以及用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π脉冲的干涉区域的第二单元。更进一步地，所述第一单元包括：两个相对同轴设置的第一干涉窗口和第二干涉窗口，第一反射镜，设置在所述第二干涉窗口与所述第一反射镜之间的第一1/4波片；工作时，由第一光脉冲序列产生单元产生的第一π/2脉冲从第一干涉窗口射入，穿过第二干涉窗口和第一1/4波片，再通过第一反射镜反射使得光束原路返回，以达到光脉冲对射配置，实现干涉过程中的π/2脉冲。更进一步地，所述第二单元包括：两个相对同轴设置的第三干涉窗口和第四干涉窗口，第二反射镜，设置在所述第四干涉窗口与所述第二反射镜之间的第二1/4波片；工作时，由第二光脉冲序列产生单元产生的第一π脉冲从第三干涉窗口射入，穿过第四干涉窗口和第二1/4波片，通过第二反射镜反射使得光束原路返回，以达到光脉冲对射配置，实现干涉过程中的π脉冲。更进一步地，所述第二原子干涉单元包括：用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π/2脉冲的干涉区域的第三单元，以及用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π脉冲的干涉区域的第四单元。更进一步地，所述第三单元包括：两个相对同轴设置的第五干涉窗口和第六干涉窗口，第三反射镜，设置在所述第六干涉窗口与所述第三反射镜之间的第三1/4波片；工作时，由第二光脉冲序列产生单元产生的第二π/2脉冲从第五干涉窗口射入，穿过第六干涉窗口和第三1/4波片，通过第三反射镜反射使得光束原路返回，以达到光脉冲对射配置，实现干涉过程中的π/2脉冲。更进一步地，所述第四单元包括：两个相对同轴设置的第七干涉窗口和第八干涉窗口，第四反射镜，设置在所述第八干涉窗口与所述第四反射镜之间的第四1/4波片；工作时，由光脉冲序列产生单元产生的第二π脉冲从第七干涉窗口射入，穿过第八干涉窗口和第四1/4波片，通过第四反射镜反射使得光束原路返回，以达到光脉冲对射配置，实现干涉过程中的π脉冲。更进一步地，原子探测模块包括：第一探测窗口，第二探测窗口，探测光和第五反射镜，第一探测窗口，第二探测窗口和第五反射镜同轴配置，探测光穿过第一探测窗口射入，通过第二探测窗口，由第五反射镜反射，使探测光原路返回，这种驻波配置可以防止原子在探测的时候被探测光吹走；当原子下落到探测区的时候，打开探测光先探测F＝2原子并清除，然后打开回泵光将F＝1态原子泵到F＝2态，再次打开探测光探测F＝1原子，从而实现归一化的荧光探测。本专利技术所构思的以上技术方案与现有倾斜测量技术相比，由于本专利技术采用了冷原子技术，冷原子的物质波波长比较短，使得倾斜测量的潜在灵敏度更高(本专利技术倾斜测量的量子投影噪声限制约为1nrad/Hz1/2)，从而能够实现高精度的倾斜测量；在干涉测量过程中原子处于准惯性参考系，所测量的倾斜以重力加速度g为参考并且标度因子是确定的，从而可以实现倾斜的绝对测量；而在本专利技术中所选择的原子属性比较稳定，测量的稳定性更高。通过对实验中光脉冲配置的调整，本专利技术可以很容易的扩展到二维的倾斜测量，大大简化实验装置。通过本专利技术，二维的倾斜可以实现高精度的绝对测量，这对火山，地震和地球潮汐研究等地球物理科学有重要的应用；同时，本专利技术可以用在现在的大型科学仪器比如长臂激光干涉引力波天线和大型激光环形陀螺仪中，实现仪器倾斜的精确测量；同时本专利技术可以集成在其他原子干涉仪比如重力仪和陀螺仪中，实现倾斜的高精度监测，为以后高精度的量子惯性传感器作必要的技术支持。附图说明图1为本专利技术提出的原子干涉倾斜仪装置示意图；图2为本专利技术提出的原子干涉倾斜仪测量流程示意图；图3为本专利技术提出的原子干涉倾斜仪测量示意图；其中，100为原子制备模块；101为第一囚禁激光窗口；102为第一囚禁激光光束；103为第二囚禁激光窗口；104为第二囚禁激光光束；105为第三囚禁激光窗口；106为第三囚禁激光光束；107为第四囚禁激光窗口；108为第四囚禁激光光束；109为第五囚禁激光窗口；110为第五囚禁激光光束；111为第六囚禁激光窗口；112为第六囚禁激光光束；200为原子干涉单元；本专利技术可以实现二维的倾斜测量，为了方便起见，这里将包括201，202，203，204，205，206，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于原子干涉的量子倾斜仪，其特征在于，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；所述原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；所述原子干涉模块包括：第一原子干涉单元和第一光脉冲序列产生单元；所述第一原子干涉单元用于提供原子干涉区，所述第一光脉冲产生装置用于提供π/2‑π‑π/2光脉冲序列；所述原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。

【技术特征摘要】
1.一种基于原子干涉的量子倾斜仪，其特征在于，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；所述原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；所述原子干涉模块包括：第一原子干涉单元和第一光脉冲序列产生单元；所述第一原子干涉单元用于提供原子干涉区，所述第一光脉冲产生装置用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。2.一种基于原子干涉的量子倾斜仪，其特征在于，包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；所述原子制备模块用于产生干涉测量所需要的原子；所述原子干涉模块包括：第一原子干涉单元、第二原子干涉单元,第一光脉冲序列产生单元和第二光脉冲序列产生单元；所述第一原子干涉单元和所述第一光脉冲序列产生单元均设置在第一方向，所述第一原子干涉单元用于提供第一方向的原子干涉区，所述第一光脉冲序列产生装置用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述第二原子干涉单元和所述第二光脉冲序列产生单元均设置在第二方向，所述第二原子干涉单元用于提供第二方向的原子干涉区，所述第二光脉冲序列产生单元用于提供π/2-π-π/2光脉冲序列；所述原子探测模块用于探测干涉完成后不同内态的原子。3.如权利要求1或2所述的量子倾斜仪，其特征在于，所述第一原子干涉单元包括：用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π/2脉冲的干涉区域的第一单元，以及用于在干涉过程中实现光脉冲对射配置并提供π脉冲的干涉区域的第二单元。4.如权利要求3所述的量子倾斜仪，其特征在于，所述第一单元包括：两个相对同轴设置的第一干涉窗口(201)和第二干涉窗口(202)，第一反射镜(204)，设置在所述第二干涉窗口(202)与所述第一反射镜(204)之间的第一1/4波片；工作时，由第一光脉冲序列产生单元产生的第一π/2脉冲(203)从第一干涉窗口(201)射入，穿过第二干涉窗口(202)和第一1/4波片，再通过第一反射镜(204)反射使得光束原路返回，以达到光脉冲对射配置，实现干涉过程中的π/2脉冲。5.如权利要求3或4所述的量子倾斜仪，其特征在于，所述第二单元包括：两个相对同轴设置的第三干涉窗口(213)和第四干涉窗口(214)，第二反射镜(216)，设置在所述第四干涉窗口(214)与所述第二反射镜(216)之间的第二1/4波片；工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡忠坤，周敏康，段小春，徐文杰，赵苗苗，张柯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42