[發明專利]一種基于雙物質波源的原子干涉重力測量裝置

有效

• 申請號: 201611120894.3
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106772652B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 胡忠坤;毛德凱;周敏康;段小春;鄧小兵;羅覃
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

本發明公開了一種基于雙物質波源的原子干涉重力測量裝置；屬于原子干涉和重力勘測技術領域；包括：真空腔體，用于為原子蒸汽提供一個密封容器，并為冷原子的制備和操縱提供真空度為(10^?8～10^?7)Pa的真空環境。有兩個冷原子團制備結構且位于干涉區的同一端；本發明結構緊湊，在地表工作環境中重心低，支撐簡單，裝置具有較好的穩定性；兩個原子團在探測區真空腔中共用一個探測激光和光電探測器，減小了系統復雜度，抑制了共模探測誤差；干涉在同一個細長形真空腔中完成，包裹磁場屏蔽材料方便；兩個原子團之間沒有冷原子制備結構，裝置自吸引效應小，而且為附加引力源標定測量結果預留了空間。本裝置只需要一套探測系統、磁場效應抑制好、量子投影噪聲小。

技術領域

本發明屬于原子干涉儀和重力勘測技術領域，更具體地，涉及一種基于雙物質波源的原子干涉重力測量裝置。

背景技術

精密重力測量在地球物理應用中有著廣泛應用。在資源勘探中，重力加速度及重力梯度數據可以用于重力場反演來得到地下的質量分布，從而為資源勘探提供重要線索。

重力加速度是重力勢能對空間位置的一階微商；而重力梯度是重力勢能對空間位置的二階微商，它是一個二階張量，有9個分量(其中只有5個獨立分量)。重力梯度測量需要測量空間中兩點的重力加速度差。重力加速度和重力梯度可以通過不同的方法來實現。比如低溫超導重力(梯度)儀、旋轉加速度計重力梯度儀、靜電懸浮重力(梯度)儀、以及FG-5絕對重力(梯度)儀、原子干涉重力(梯度)儀等。原子干涉重力(梯度)儀具有潛在靈敏度高、無零點漂移等優點。

冷原子干涉技術最初在1991年由美國斯坦福的朱隸文教授小組實現。由于微觀粒子具有波動性，因此微觀粒子的波包在不同路徑演化之后重合可以發生干涉現象。利用激光操縱原子，使原子的波包發生分束、反射、合束，可以實現原子的干涉。原子具有靜止質量，其波包在重力場中演化受重力勢能影響，原子干涉的干涉相位包含重力項。因此，原子干涉儀可以用來進行高精度重力測量。

在豎直方向同時構造兩個干涉儀可以測量重力梯度張量豎直方向的對角分量。所構造的儀器就是原子干涉重力梯度儀。其優勢在于，它由同一束激光操縱兩團原子干涉，地面震動噪聲和激光相位噪聲這兩項主要噪聲對兩個干涉過程是共模噪聲。因此梯度測量對這兩項噪聲是共模抑制的。

目前，測量豎直方向對角分量的原子干涉重力梯度儀方案有以下兩種。第一種是利用單個磁光阱(圖2)冷卻囚禁原子(單物質波源)，先后上拋兩團原子(New Journal ofPhysics 12，095009，2010)或者上拋一團原子，然后利用激光將一團原子分成兩團(arXiv:1610.03832v2)。這種方案主要受限于單個磁光阱冷卻囚禁原子的速度，平均單位時間內參與干涉的原子數目較少，導致量子投影噪聲較大，限制了梯度測量的靈敏度。第二種方法是采用兩個磁光阱來囚禁原子(雙物質波源)，有兩個干涉區，干涉區和磁光阱交替排列。(Phys.Rev.A，65，033608，2002)。這種方案導致裝置重心高，裝置穩定性較差；兩個干涉儀之間有一個三維磁光阱結構，導致儀器自吸引效應顯著；兩干涉儀之間的三維磁光阱結構占據了很大空間，不利于使用附加引力質量標定梯度測量結果；需要兩套探測裝置和需要分別進行磁場屏蔽。

發明內容

以上列舉的兩種重力梯度儀構造方案，第一種量子投影噪聲大，第二種儀器重心高、自吸引效應大，且不利于附加吸引質量標定，需要兩套探測裝置，需要對兩個干涉區進行磁場屏蔽。針對這些不足，本發明提供了一種基于雙物質波源的新的雙原子干涉儀重力測量實現方案。

本發明提供了一種基于雙物質波源的原子干涉重力測量裝置，包括：真空腔體，用于為原子蒸汽提供一個密封容器，并為冷原子的制備和操縱提供真空度為(10^-8～10^-7)Pa的真空環境。