一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源，还包括激光耦合头、分光平片、反射镜、WFS波前分析仪、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片，本发明专利技术还公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，本发明专利技术在真空腔抽真空之后，在真空腔外部就可以实时进行测量，就可以得到激光经过真空腔底部窗片之后的波前畸变，克服了在真空腔安装后测量真空腔底部窗片面型的困难。

A device and method for real-time measurement of wavefront distortion of atomic absolute gravimeter

【技术实现步骤摘要】
一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置和测量方法
本专利技术属于原子绝对重力仪波前畸变测量领域，尤其涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，还涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法。
技术介绍
原子绝对重力仪是基于原子干涉仪的一种新型重力仪，其基本原理是在真空中上抛或自由下落一团原子，利用一对拉曼光(波长为780nm)的操控实现原子团的分束，反射和干涉，得到包含重力信息的干涉条纹从而推导出绝对重力加速度的值。由于干涉仪的测量依赖于它的两个路径之间的相位差，因此每个原子就像一个单独的重力探测器，不受漂移、老化或磨损的影响。原子绝对重力仪经过几十年的发展，目前已经成为高精度绝对重力测量的主要仪器之一。影响原子绝对重力仪测量精度一个很重要的因素是波前畸变带来的影响。图1展示了用的拉曼脉冲(波长为780nm的脉冲激光)序列在真空腔中实现原子干涉的过程和实验的装置图。最后得到的原子平均跃迁概率为:其中，其中，Δφ＝Δφ0+δφ，包含重力信息的部分为Δφ0＝keffgT2,δφ为波前畸变系统误差带来的相移。因此重力的测量误差δg可以表示为:keff是有效波矢，可以写成keff＝ka+kb,T是原子自由演化时间。波前畸变的相位误差是指由于拉曼光(780nm波长的激光)波阵面的非平行导致g的测量出现偏移。其波前像差可以表示为:Δφwavefront＝Δφ1-2Δφ2+Δφ3，Δφ1、Δφ2、Δφ3分别表示在脉冲-π脉冲脉冲时波前畸变带来的相位误差，如图2所示，由于原子具有横向扩散速度，且原子的位相与原子团的位置有关，所以经过干涉过程后，波前畸变导致的相位误差为：ni(r)表示脉冲、π脉冲、脉冲时原子团的分布情况，由于原子具有横向扩散速度，所以每个阶段其分布情况都不相同。δφwf是指拉曼光波前的相位差，准直的拉曼光可以看作平面波，因此波前像差是由装置中真空腔底部的窗口、四分之一波片和装置底部的拉曼光反射镜不是严格的平面导致如图1。在光学元件镜面畸变无法消除的情况下，最理想的办法是测出腔底部窗口、四分之一波片和底部反射镜的面型，计算拉曼光的波前畸变及带来的偏差。事实上，我们可以使用ShackHartmann波前分析仪测出被测元件的面型。如图4，测量透射元件的面型，只需要先测量与待测面型面积相同或更大的较为准直的激光(我们选择780nm波长的激光，为原子干涉仪中拉曼光波长)作为参考面型，再将待测元件的放入光路中由波前分析仪测到结果，两次结果相减就是该元件的面型，就可以知道激光透射该元件引入的波前畸变。用这种方法可以很容易的测量四分之一波片和反射镜带来的波前畸变，但是由于真空腔是封闭的，技术方面还不能从真空腔内部出射激光作为参考光实时进行测量，因此没办法用该理想方法进行系统误差分析波前畸变引起的g的测量不确定度。解决真空腔底部窗片所加入的波前畸变是解决我们所提问题的关键。目前最常用的办法是通过改变拉曼光斑大小或温度等条件，利用每次得到的g的偏差值拟合重塑波面面型。由于光斑的直径小到一定程度后会使干涉信号的信噪比极低，不能完美的拟合波面，而通过已知数据通过拟合外推是根据已知数据趋势的预测，所以仍会有很大的不确定度。现有的技术方法无法准确的得到。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有方法存在的上述缺点和不足，提供一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，还可以提供一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源，还包括激光耦合头、分光平片、反射镜、WFS波前分析仪、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片，激光光源经激光耦合头出射激光，激光耦合头出射的激光经过分光平片形成透射光和反射光，透射光射向反射镜，反射镜对透射光进行反射，经反射镜反射的透射光沿原光路返回至分光平片，分光平片将自反射镜反射的透射光反射至WFS波前分析仪；反射光入射至真空腔底部窗片，真空腔底部窗片对反射光进行反射，经真空腔底部窗片反射的反射光原光路返回至分光平片并透射分光平片进入WFS波前分析仪。如上所述的激光光源经激光耦合头出射激光为第一激光或第二激光，真空腔底部窗片外侧一面镀设有第一反射膜，第一激光的波长和第一反射膜的反射波长相同，真空腔底部窗片内侧一面镀设有第二反射膜，第二激光的波长和第二反射膜的反射波长相同。如上所述的激光耦合头上镀设全透膜，第一激光至第二激光的波长范围被包含在全透膜的透射波长范围内。一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，包括以下步骤：步骤1、先由激光光源经激光耦合头出射第一激光，先遮挡真空腔底部窗片，使第一激光部分透射分光平片射向反射镜，反射镜对第一激光进行反射，经反射镜反射的第一激光原光路反射回分光平片并由分光平片反射到WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第一面型测量结果，步骤2、遮挡反射镜，第一激光部分经分光平片反射后射向真空腔底部窗片，真空腔底部窗片的外侧一面镀设的第一反射膜对第一激光进行反射，经第一反射膜反射的第一激光原光路反射回分光平片并透射分光平片射入WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第二面型测量结果，第二面型测量结果减去第一面型测量结果得到第一面型差值；步骤3、由激光光源经激光耦合头出射第二激光，先遮挡真空腔底部窗片，使第二激光部分透射分光平片射向反射镜，反射镜对第二激光进行反射，经反射镜反射的第二激光原光路反射回分光平片并由分光平片反射到WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第三面型测量结果，步骤4、遮挡反射镜，第二激光部分经分光平片反射后射向真空腔底部窗片，真空腔底部窗片内侧一面镀设的第二反射膜对第二激光进行反射，经第二反射膜反射的第二激光原光路反射回分光平片并透射分光平片射入WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第四面型测量结果，第四面型测量结果减去第三面型测量结果得到第二面型差值；通过以下方程组得到真空腔底部窗片外侧镀设有第一反射膜的一面的面型函数H2，和真空腔底部窗片内侧镀设有第二反射膜的一面的面型函数H1，其中，k1、k2分别为第一激光和第二激光的波矢，n1，n2分别为第一激光和第二激光在真空腔底部窗片中的折射率，通过以下公式，获得波长为第一激光波长～第二激光波长之间的激光通过真空腔底部窗片所加入的波前畸变δ3：δ3＝k3(n3-1){H1-H2}k3为第三激光的波矢，第三激光的波长位于第一激光波长～第二激光波长之间，n3为第三激光在真空腔底部窗片中的折射率。本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：真空腔抽真空之后，在真空腔外部就可以实时进行测量，就可以得到激光经过真空腔底部窗片之后的波前畸变，克服了在真空腔安装后测量真空腔底部窗片面型的困难，并且能实时测量真空腔底部窗片5的面型，对比现在国内国际主要使用的外推法评估波前畸变系统误差的方法更准确。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源(6)，其特征在于，还包括激光耦合头(1)、分光平片(2)、反射镜(3)、WFS波前分析仪(4)、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片(5)，/n激光光源(6)经激光耦合头(1)出射激光，激光耦合头(1)出射的激光经过分光平片(2)形成透射光和反射光，透射光射向反射镜(3)，反射镜(3)对透射光进行反射，经反射镜(3)反射的透射光沿原光路返回至分光平片(2)，分光平片(2)将自反射镜(3)反射的透射光反射至WFS波前分析仪(4)；反射光入射至真空腔底部窗片(5)，真空腔底部窗片(5)对反射光进行反射，经真空腔底部窗片(5)反射的反射光原光路返回至分光平片(2)并透射分光平片(2)进入WFS波前分析仪(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源(6)，其特征在于，还包括激光耦合头(1)、分光平片(2)、反射镜(3)、WFS波前分析仪(4)、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片(5)，
激光光源(6)经激光耦合头(1)出射激光，激光耦合头(1)出射的激光经过分光平片(2)形成透射光和反射光，透射光射向反射镜(3)，反射镜(3)对透射光进行反射，经反射镜(3)反射的透射光沿原光路返回至分光平片(2)，分光平片(2)将自反射镜(3)反射的透射光反射至WFS波前分析仪(4)；反射光入射至真空腔底部窗片(5)，真空腔底部窗片(5)对反射光进行反射，经真空腔底部窗片(5)反射的反射光原光路返回至分光平片(2)并透射分光平片(2)进入WFS波前分析仪(4)。


2.根据权利要求1所述的一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，其特征在于，所述的激光光源(6)经激光耦合头(1)出射激光为第一激光或第二激光，真空腔底部窗片(5)外侧一面镀设有第一反射膜，第一激光的波长和第一反射膜的反射波长相同，真空腔底部窗片(5)内侧一面镀设有第二反射膜，第二激光的波长和第二反射膜的反射波长相同。


3.根据权利要求1所述的一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，其特征在于，所述的激光耦合头(1)上镀设全透膜，第一激光至第二激光的波长范围被包含在全透膜的透射波长范围内。


4.一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，其特征在于，利用权利要求3所述的实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括以下步骤：
步骤1、先由激光光源(6)经激光耦合头(1)出射第一激光，先遮挡真空腔底部窗片(5)，使第一激光部分透射分光平片(2)射向反射镜(3)，反射镜(3)对第一激光进行反射，经反射镜(3)反射的第一激光原光路反射回分光平片(2)并由分光平片(2)反射到WFS波前分析仪(4)，记录WFS波前分析仪(...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱皓冉，汤彪，黄攀威，陈曦，王谨，詹明生，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42