一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构制造技术

本公开提供了一种用于小型化原子干涉仪的真空装置，包括上、下窗口、方腔、连接部件、原子源部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件。上、下窗口配合扣件用两面镀增透膜的厚玻璃封接，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。通过对上、下窗口之外的光学窗口进行合理的设计并直接内嵌焊接到真空腔体里，以及采用合理的原子冷却干涉方案，大大减小了真空装置的体积和重量，结构变得简洁可靠。同时该真空结构经过恰当改造，也适用于冷原子陀螺仪和重力梯度仪等应用。

A vacuum structure suitable for miniaturized atomic interferometer

The present disclosure provides a vacuum device for a miniaturized atomic interferometer, including an upper and lower window, a square cavity, a connecting component, an atomic source component, a three dimensional magneto-optical well, an interferometer and a detection unit. The system error of the front and bottom windows is greatly reduced by using the thick glass sealing on the two side plated antireflective coating with the fastener. Through the rational design of the optical window outside the upper and lower windows and directly welded into the vacuum cavity, and using the reasonable atomic cooling interference scheme, the volume and weight of the vacuum device are greatly reduced, and the structure becomes simple and reliable. At the same time, the vacuum structure is properly modified, and it is also suitable for applications such as cold atom gyroscope and gravity gradiometer.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构
本公开属于量子精密测量中的绝对重力加速度测量领域，特别涉及一种适用于小型化原子干涉仪的真空结构。
技术介绍
原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。在三维冷却陷俘的其中一个过程中，需要在一个特定的梯度磁场下进行，如图1所示。这个梯度磁场是通过一对反亥姆赫兹线圈产生的。在拉曼干涉过程中，外界的磁场(主要是地磁场)会带来二阶塞曼效应，影响测量灵敏度，所以需要把外磁场屏蔽掉。一般用高磁导率金属做成的磁屏蔽装置来屏蔽外磁场。由于可移动性和集成性方面的要求，在保证性能不减的前提下，真空装置要尽可能小巧。而目前国内外绝大部分的原子干涉仪所用真空装置过于庞大和笨重。目前的原子干涉仪的原子源往往采用二维磁光阱的方案。对于前者，真空装置的径向尺寸会非常大，更不利于磁屏蔽装置的安装一一要么把包括二维磁光阱在内的整个真空装置屏蔽起来，这样磁屏蔽装置就过于庞大；要么磁屏蔽装置在二维磁光阱和三维磁光阱的连接管道开口，这样磁屏蔽装置就不能做成一个整体的桶状，安装很麻烦，也会有地磁场漏进三维磁光阱，影响测量结果。通常的三维磁光阱部件需要给冷却光单独开六个窗口，也就意味着需要配备六个用来做三维冷却的激光光束发射器，使得装置臃肿且成本昂贵。尺寸所限，绕制的一对反亥姆赫兹线圈也只能相距很远，要通很大电流才能产生磁光阱所需的梯度磁场，这样发热量和功耗也会很大。再者，光学窗口的安装也是限制装置的尺寸以及重量的原因之一。如图2所示，为现有原子干涉仪的探测部件，上端与干涉管连接，其余五个面与图3的光学窗口连接。图3为目前广泛应用的光学窗口，它是由一片石英玻璃92镶嵌到一个金属法兰盘91里做成的，金属法兰盘91本身体积和重量都较大。安装真空的时候，需要把图3的光学窗口的金属法兰盘91用螺丝固定到真空腔外部，当对称安装好光学窗口后，真空装置的径向尺寸就会增加两个金属法兰盘的厚度，使得真空装置变得庞大和笨重。另外固定这些光学窗口的螺丝在搬运的过程中可能会松动从而造成真空漏气，不利于长期稳定性。同时，若光学窗口通光口径不变，探测区的径向尺寸越大，荧光收集的立体角就越小，信噪比就越差，这样就限制了干涉仪的精度。在拉曼干涉过程中，若不同水平位置的原子感受到的拉曼光波前有差别，将会对干涉条纹造成相移，测量结果会有系统误差。其中，拉曼光自上而下穿过真空装置的上窗口、下窗口，这些玻璃特别是下窗口的玻璃表面的不平整会造成波前畸变，带来系统误差，且难以评估，最好是从源头消除掉这项误差，即保证玻璃的平整度。目前绝大部分的真空装置的上窗口和下窗口是由如图3的光学窗口安装的。由光学窗口本身结构所限，里面的石英玻璃92很难做得厚，如图3的石英玻璃92所示，厚度只有3.18mm。这么薄的石英玻璃，即使本身平整度做高了，在压接的时候也会造成变形。另外在抽高真空之后，内外差了一个大气压，使得薄玻璃进一步发生形变。如此，上下窗口带来的波前畸变不可忽视。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种用于小型化原子干涉仪的真空装置。(二)技术方案本公开提供了一种真空装置，用于小型化原子干涉仪，包括：上窗口、方腔、真空组件和下窗口，所述真空组件安装于所述方腔和下窗口之间，方腔的上孔连接上窗口；所述真空组件包括：由上至下依次连接部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件；所述连接部件连接方腔的下孔，所述探测部件安装下窗口，所述原子源部件安装于三维磁光阱部件。在本公开的一些实施例中，所述三维磁光阱部件为八角柱形腔，所述八角柱形腔的每个面均开孔；顶面的上孔用于安装连接部件，底面的下孔用于安装干涉部件，一个侧面的侧孔安装原子源部件，其余七个侧面的侧孔内嵌焊接光学窗口，且四周开有螺纹孔，用以安装外部的光学部件。在本公开的一些实施例中，还包括反亥姆赫兹线圈，所述反亥姆赫兹线圈沿八角形柱腔上下两端的管壁绕制。在本公开的一些实施例中，所述原子源部件采用以下两种结构之一：铜管铷源和角阀；所述铜管内装有原子的安瓿瓶，所述铜管封接到角阀，所述角阀紧贴三维磁光阱竖直安装；铷源耗损片和真空电极；所述铷源耗损片固定在所述真空电极上，所述铷源耗损片与所述真空电极整体放置于三维磁光阱部件内部。在本公开的一些实施例中，所述探测部件为六个面都开孔的长方体，其顶面的上孔与所述干涉部件连接，底面的下孔与所述下窗口连接，侧面的侧孔采用不对称开孔的方式，用来通探测光的第一侧孔开在相对的两个第一侧面，用来收集荧光的第二侧孔开在相对的两个第二侧面，所述第一侧面小于第二侧面，所述第一侧孔小于第二侧孔。在本公开的一些实施例中，所述上窗口和下窗口均采用双面镀增透膜的加厚玻璃配合无氧铜圈或铟丝进行封接，除所述上窗口和下窗口之外的光学窗口均通过内嵌焊接的方式固定。在本公开的一些实施例中，所述干涉部件为一中空的圆形管道。在本公开的一些实施例中，适用于原子陀螺仪，所述干涉部件为矩形管道，侧面开孔并安装或焊接光学窗口。在本公开的一些实施例中，适用于小型化原子干涉重力梯度计，所述探测部件与所述下窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。在本公开的一些实施例中，适用于小型化原子干涉重力梯度计，方腔上孔安装另一连接部件，在所述另一连接部件与所述上窗口之间还安装有另一组结构相同的真空组件。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：(1)三维磁光阱变得更加扁平，不仅节约了设备成本，还减小了真空装置的重量和尺寸，便于实现原子干涉仪的小型化。(2)产生梯度磁场所需的电流小，发热量很小，不需要额外的冷却手段。(3)原子源部件避免了二维磁光阱在真空装置中的使用，进而大大减小了真空装置的体积，使得后续磁屏蔽的结构更加灵活，安装更加方便，屏蔽效果更好。(4)探测部件采用不对称的开孔方式，加上内嵌焊接相应大小的光学窗口，使得成像所用的光学窗口直径尽可能大并且尽可能地接近探测部件中心，扩大了荧光收集的立体角，能极大提高荧光收集效率。(5)上窗口和下窗口的玻璃厚度大，表面不平整度小，安装以及抽真空的时候不易造成形变，可大大减少波前畸变效应带来的系统误差。除上窗口和下窗口之外的光学窗口直接内嵌焊接到真空装置的相应位置处，真空装置的体积和重量都大大减小，结构变得简单可靠，有利于系统的小型化和长期的真空稳定性。附图说明图1为三维磁光阱中反亥姆赫兹线圈及其形成的磁场梯度的示意图。图2为现有原子干涉仪的探测部件的结构示意图。图3为现有原子干涉仪所用的光学窗口的结构示意图。图4为本公开实施例的用于小型化原子干涉仪的真空装置的整体结构示意图。图5a、图5b分别为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件的两个俯视图。图6为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件及反亥姆赫兹线圈的结构示意图。图7为本公开实施例真空装置的三维磁光阱部件的光学窗口结构示意图。图8为本公开实施例真空装置的上窗口结构示意图。图9为本公开另一实施例的真空装置的整体结构示意图。图10为本公开又一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真空装置，用于小型化原子干涉仪，包括：上窗口、方腔、真空组件和下窗口，所述真空组件安装于所述方腔和下窗口之间，方腔的上孔连接上窗口；所述真空组件包括：由上至下依次连接部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件；所述连接部件连接方腔的下孔，所述探测部件安装下窗口，所述原子源部件安装于三维磁光阱部件。

【技术特征摘要】
1.一种真空装置，用于小型化原子干涉仪，包括：上窗口、方腔、真空组件和下窗口，所述真空组件安装于所述方腔和下窗口之间，方腔的上孔连接上窗口；所述真空组件包括：由上至下依次连接部件、三维磁光阱部件、干涉部件和探测部件；所述连接部件连接方腔的下孔，所述探测部件安装下窗口，所述原子源部件安装于三维磁光阱部件。2.如权利要求1所述的真空装置，所述三维磁光阱部件为八角柱形腔，所述八角柱形腔的每个面均开孔；顶面的上孔用于安装连接部件，底面的下孔用于安装干涉部件，一个侧面的侧孔安装原子源部件，其余七个侧面的侧孔内嵌焊接光学窗口，且四周开有螺纹孔，用以安装外部的光学部件。3.如权利要求2所述的真空装置，还包括反亥姆赫兹线圈，所述反亥姆赫兹线圈沿八角形柱腔上下两端的管壁绕制。4.如权利要求1所述的真空装置，所述原子源部件采用以下两种结构之一：铜管铷源和角阀；所述铜管内装有原子的安瓿瓶，所述铜管封接到角阀，所述角阀紧贴三维磁光阱竖直安装；铷源耗损片和真空电极；所述铷源耗损片固定在所述真空电极上，所述铷源耗损片与所述真空电极整体放置于三维磁光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈帅，龙金宝，谢宏泰，杨胜军，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34