基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于迈克尔逊干涉的原子干涉重力仪反射镜振动造成光束相位变化测量的装置及方法，装置包括：光束相位测量、光束干涉采集、干涉信号处理。反射镜振动是影响喷泉型原子干涉仪性能指标的最重要因素之一，本发明专利技术通过实时精密测量的办法同步标定振动引起的相位变化，修正该偏差，抑制振动的影响，显著提高干涉仪性能指标。运用迈克尔逊干涉装置对反射镜振动信息进行提取，实现高精度振动相位变化测量；运用正交采集干涉条纹法，可以消除干涉条纹的非线性；最后经过对干涉信号的处理可以实时测量反射镜振动引起的光束相位抖动，可以减小测量的不确定度。并且，干涉仪所用激光可以与原子干涉重力仪所用激光相同，实现相位探测的完全同步。

Michelson interference based on fountain type atomic gravimeter beam phase change measurement device and method

The invention relates to a device and a method for measuring the phase change of a light beam caused by the vibration of the reflector of an atomic interference gravimeter based on Michelson interference. The device comprises a light beam phase measurement, a light beam interference acquisition and an interference signal processing. The mirror vibration is one of the most important factors affecting the performance index of fountain type atomic interferometer. The invention synchronously calibrates the phase change caused by the vibration by means of real-time precise measurement, corrects the deviation, suppresses the influence of the vibration, and significantly improves the performance index of the interferometer. The Michelson interference device is used to extract the vibration information of the mirror and realize the measurement of high-precision vibration phase change; the orthogonal acquisition interference fringe method is used to eliminate the nonlinearity of the interference fringe; finally, after the processing of the interference signal, the phase jitter caused by the vibration of the mirror can be measured in real time and the uncertainty of measurement can be reduced. Moreover, the laser used in the interferometer can be the same as the laser used in the atomic interferometer gravimeter, and the phase detection can be fully synchronized.

【技术实现步骤摘要】
基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法
本专利技术涉及原子干涉重力仪精密测量领域，具体地，涉及一种基于迈克尔逊干涉的拉曼光束相位探测装置与方法。
技术介绍
喷泉型原子干涉仪是目前测量重力加速度g及其梯度最重要最精密的仪器之一，它的基本原理是让上抛的冷原子云与对射的拉曼激光相互作用，利用双光子跃迁实现冷原子云的分束、反射、合束，两束原子干涉实现对g的测量。该方法从原理上对原子与拉曼光场相互作用时的对射光束相位有很严格的要求，对射激光是通过一束激光通过反射镜反射产生的，反射镜的振动是影响干涉仪性能指标的最重要因素之一。反射镜的振动来源于光路平台、空气或者大地的振动，与反射镜的固定方式、系统的隔振性能有很大关系。反射镜振动对原子干涉重力仪的输出影响非常大，是限制装置不确定度的重要因素。现有技术一方面通过专门的主被动隔震抑制反射镜的振动，另一方面通过配置高精度振动探头或者地震仪等办法监测反射镜的振动，通过振动频谱对测试结果进行修正。这两种方法一方面结构复杂，限制了干涉仪的应用，另一方面还无法实现对反射镜振动的完全抑制，因此即使采取了这些措施，该效应仍然是影响的干涉仪不确定度的最重要因素之一。以往的振动测量有以下问题：1、振动探头固定在反射镜防震平台上，对反射镜振动的测量精度与探头位置及平台的固有频率有关，依赖于刚体的振动传递特性，测量往往存在振幅位相误差；2、测量与激光作用时间窗口不完全相同，不能反映激光作用时间内的振动影响，不能实时测量反射镜的振动位置。所以只能通过振动谱修正，这是一个积分的效果，误差较大，只能修正平均值；3、测量装置附加于原子干涉重力仪，增加了系统的复杂性。
技术实现思路
本专利技术为弥补现有测量技术的不足，提供了一种基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量的装置及方法。该方法具有实时测量相位、不引入附加噪声、测量时间窗口与激光作用时间窗口相同有利于减小重力仪不确定度的优势。通过记录干涉条纹的变化，可以测量反射镜真实的振动情况，进而计算出振动的频率，以及计算出由振动引起的系统光束的相位变化，因此可以更加准确地评估对测量结果不确定度的贡献。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于迈克尔逊干涉的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特点在于，包括第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、拉曼反射镜、第二四分之一波片、参考反射镜、分光棱镜、第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和所述的信号处理系统；原子干涉重力仪激光系统的输出光经所述的第一二分之一波片入射到所述的第一偏振分光棱镜，经过该第一偏振分光棱镜分为第一反射光与第一透射光，所述的第一反射光经所述的第二四分之一波片入射到所述的参考反射镜，并经该参考反射镜反射沿原路返回，经所述的第二四分之一波片再次入射到所述的第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜透射，形成第二透射光；所述的第一透射光经所述的第一四分之一波片入射到所述的拉曼反射镜，并经该拉曼反射镜反射沿原路返回，经所述的第一四分之一波片再次入射到所述的第一偏振分光棱镜，经该经该第一偏振分光棱镜反射，形成第二反射光；所述的第二透射光和第二反射光合束后经所述的分光棱镜分为第三透射光和第三反射光，所述的第三透射光经所述的第二二分之一波片入射到所述的第二偏振分光棱镜，经该第二偏振分光棱镜分为第四透射光与第四反射光束；所述的第三反射光依次经所述的第三四分之一波片和第三二分之一波片入射到所述的第三偏振分光棱镜，经该第三偏振分光棱镜分为第五透射光与第五反射光；所述的第一光电探测器探测第二偏振分光棱镜第四透射光强度，第二光电探测器探测第二偏振分光棱镜的第四反射光强度，第三光电探测器探测第三偏振分光棱镜的第五透射光强度，第四光电探测器探测第三偏振分光棱镜的第五透射光强度，所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器分别与所述的信号处理系统相连。所述的第一四分之一波片、第二四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为45°或者135°，所述的第三四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为0°，所述的第二二分之一波片、第三二分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为22.5°。所述的四分之一波片、二分之一波片为晶体材料型波片，多元复合型波片，反射棱体型波片或双折射薄膜型波片。所述的偏振分光棱镜为胶合型偏振分光棱镜或者光胶型偏振分光棱镜。所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。所述的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜的两个偏振轴与水平方向的夹角均为0°和90°。所述信号处理系统为包括信号采集电路或装置、信号放大电路和带有数据处理和分析软件的微型计算机在内的数据处理系统。利用所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置测量拉曼光束相位变化的方法，包括下列步骤：①调整参考反射镜至第一偏振分光棱镜的距离使之满足参考反射镜至第一偏振分光棱镜的距离与拉曼反射镜至第一偏振分光棱镜的距离差为重力仪所用工作原子谱线对应波长的倍。②开启脉冲型拉曼原子干涉重力仪，使之正常工作，所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别探测所述的第二偏振分光棱镜的透射光束、第二偏振分光棱镜的反射光束、第三偏振分光棱镜的透射光束、第三偏振分光棱镜的反射光束得到包含光束相位变化信息的干涉光强信息I11、I12、I16、I17，并将该光强信号转化为相应的电信号输入所述的信号处理系统。③当装置搭建满足权利要求2和4时，所述的信号处理系统进行下列计算：其中，K11为第一光电探测器所在电路的电路系数，K12为第二光电探测器所在电路的电路系数在利用，K16为第三光电探测器所在电路的电路系数，K17为第四光电探测器所在电路的电路系数，A1为U1曲线幅度，A2为U2曲线幅度，为待测的光束相位。④根据us、uc的符号可以判断所在的象限，判断方法如下：若us＞0、uc＞0则位于第四象限；若us＞0、uc＜0则位于第三象限；若us＜0、uc＞0则位于第一象限；若us＜0、uc＜0则位于第二象限。然后再进行的具体值计算，可以采用下列计算方法：或者连续测量拉曼作用时间段内的值就可以测量出拉曼光束的相位变化曲线。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量装置和方法，拉曼光束相位变化测量所用光源与原子重力干涉仪所用光源完全相同，所测相位变化完全等价于拉曼光场相位变化。2、本专利技术提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量方法，直接测量反射镜振动引起的拉曼光束变化情况，不依赖于刚体的振动传递，测量不存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于迈克尔逊干涉的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于，包括第一二分之一波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一四分之一波片(4)、拉曼反射镜(5)、第二四分之一波片(6)、参考反射镜(7)、分光棱镜(8)、第二二分之一波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)、第四光电探测器(17)和所述的信号处理系统(18)；/n原子干涉重力仪激光系统的输出光(1)经所述的第一二分之一波片(2)入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经过该第一偏振分光棱镜(3)分为第一反射光与第一透射光，所述的第一反射光经所述的第二四分之一波片(6)入射到所述的参考反射镜(7)，并经该参考反射镜(7)反射沿原路返回，经所述的第二四分之一波片(6)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该第一偏振分光棱镜(3)透射，形成第二透射光；所述的第一透射光经所述的第一四分之一波片(4)入射到所述的拉曼反射镜(5)，并经该拉曼反射镜(5)反射沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(4)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该经该第一偏振分光棱镜(3)反射，形成第二反射光；/n所述的第二透射光和第二反射光合束后经所述的分光棱镜(8)分为第三透射光和第三反射光，所述的第三透射光经所述的第二二分之一波片(9)入射到所述的第二偏振分光棱镜(10)，经该第二偏振分光棱镜(10)分为第四透射光与第四反射光束；所述的第三反射光依次经所述的第三四分之一波片(13)和第三二分之一波片(14)入射到所述的第三偏振分光棱镜(15)，经该第三偏振分光棱镜(15)分为第五透射光与第五反射光；/n所述的第一光电探测器(11)探测第二偏振分光棱镜(10)第四透射光强度，第二光电探测器(12)探测第二偏振分光棱镜(10)的第四反射光强度，第三光电探测器(16)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，第四光电探测器(17)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，所述的第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)和第四光电探测器(17)分别与所述的信号处理系统(18)相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于迈克尔逊干涉的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于，包括第一二分之一波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一四分之一波片(4)、拉曼反射镜(5)、第二四分之一波片(6)、参考反射镜(7)、分光棱镜(8)、第二二分之一波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)、第四光电探测器(17)和所述的信号处理系统(18)；
原子干涉重力仪激光系统的输出光(1)经所述的第一二分之一波片(2)入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经过该第一偏振分光棱镜(3)分为第一反射光与第一透射光，所述的第一反射光经所述的第二四分之一波片(6)入射到所述的参考反射镜(7)，并经该参考反射镜(7)反射沿原路返回，经所述的第二四分之一波片(6)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该第一偏振分光棱镜(3)透射，形成第二透射光；所述的第一透射光经所述的第一四分之一波片(4)入射到所述的拉曼反射镜(5)，并经该拉曼反射镜(5)反射沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(4)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该经该第一偏振分光棱镜(3)反射，形成第二反射光；
所述的第二透射光和第二反射光合束后经所述的分光棱镜(8)分为第三透射光和第三反射光，所述的第三透射光经所述的第二二分之一波片(9)入射到所述的第二偏振分光棱镜(10)，经该第二偏振分光棱镜(10)分为第四透射光与第四反射光束；所述的第三反射光依次经所述的第三四分之一波片(13)和第三二分之一波片(14)入射到所述的第三偏振分光棱镜(15)，经该第三偏振分光棱镜(15)分为第五透射光与第五反射光；
所述的第一光电探测器(11)探测第二偏振分光棱镜(10)第四透射光强度，第二光电探测器(12)探测第二偏振分光棱镜(10)的第四反射光强度，第三光电探测器(16)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，第四光电探测器(17)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，所述的第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)和第四光电探测器(17)分别与所述的信号处理系统(18)相连。


2.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于，所述的第一四分之一波片(4)、第二四分之一波片(6)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为45°或者135°，第三四分之一波片(13)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为0°或者90°，第一二分之一波片(9)、第二二分之一波片(14)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为22.5°。


3.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)和第四光电探测器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏荣，张宁，姬清晨，王倩，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31