[實用新型]一種原子干涉儀中基于微波回泵原子的探測系統

有效

• 申請號: 201720767773.1
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN207037107U
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 胡忠坤;崔嘉豐;段小春;徐耀耀;漆坤;周敏康
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 廖盈春,曹葆青

技術領域

本實用新型屬于原子分子物理領域，更具體地，涉及一種原子干涉儀中基于微波回泵原子的探測系統。

背景技術

在過去數十年里，原子干涉技術已迅速地發展成為精密測量中強有力的工具。因其潛在高靈敏度，在精密測量領域已被用來檢驗一些物理學的基本原理，探索新的物理領域；同時也在資源勘探、重力輔助導航等工程領域具有重要的應用前景。

原子干涉儀的原子經過與激光相互作用完成干涉過程后，干涉相移是由處在某個量子態的躍遷概率所表征的。實驗中測量最終處在不同量子態原子數目所占比例即可計算出該量。為了能夠獲得高信噪比的干涉條紋，設計高精度，高靈敏的冷原子探測系統占據了整個過程中重要的一環。

以Mach-Zender原子干涉儀為例，其干涉后疊加態的表達式為： |Ψ＞＝c_a|a＞+c_b|b＞；躍遷概率P≡|c_b|²。實驗上探測分布在兩個態上的原子數目 N_a，N_b，比值N_b/(N_a+N_b)就被認為是處在疊加態是該量子態的分布概率的近似，即P≈N_b/(N_a+N_b)。

對于原子數目的探測，可分為以下幾種方法：當原子處在激光場中時，原子與光子共振從基態躍遷到激發態，由于激發態壽命極短(對于⁸⁷Rb原子5²P_3/2，約為26ns)，原子很快自發輻射放出一個光子回到基態，并重復以上過程。在這個過程中，由于探測激光的部分有固定方向光子被原子吸收，之后被散射到各個方向，如果收集各個方向散射的原子自發輻射光子并測量其強度，可以得到原子團分布，數目等相關信息，該探測原子數目方法就是熒光法；探測光穿過原子團后光強減弱，如果測量探測光光強的變化，也可以得到原子團分布，數目等相關信息，這就是所謂的吸收法；在吸收法基礎上，通過光學成像技術去除掉未與原子作用的背景探測光，只收集熒光以及穿過原子團衍射后的探測光就是所謂的暗背景成像法(參見：M.Pappa，P.C.Condylis，G.O.Konstantinidis，V.Bolpasi，A. Lazoudis，O.Morizot，D.Sahagun，M.Baker，W，von Klitzing，2011， Ultra-sensitive atom imaging for matter-wave optics New J.Phys.13， 115012)。

由于需探測兩個態的原子數目N_a，N_b，因此按時序分為分時探測和同時探測法。前者為在不同的時間通過兩個不同的探測區域分別測量兩個量子態的方法；而后者為在空間上將兩個態的原子首先分離開然后再同時探測的方法。(參見：G.W.Biedermann，X.Wu，L.Deslauriers，K.Takase， M.A.Kasevich，2009Low-noise simultaneousfluorescence detection of two atomic states，Opt.Lett.34)。

對原子干涉儀中多種量子態原子團傳統的探測方案為分時熒光探測法 (A.Peters，K.Y.Chung，S.Chu，2001，High-precision gravity measurements using atom interferometry，Metrologia，38)。由于使用歸一化探測，時序上需要對原子照射兩次頻率相同的探測光脈沖信號以收集熒光信號，因此需要能夠快速響應開啟和關斷的光開關模塊；并且在兩束探測光間隔時間內照射一束頻率與探測光不同的回泵光，這就需要有激光光源具有產生多個頻率的移頻模塊。同時也有另一種改進的方法，即兩束探測光和回泵光一直保持開啟狀態，但是這就導致不同量子態探測時的背景光強并不相同，影響成像時對原子數目比例的評估。

實用新型內容

針對現有技術的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種原子干涉儀中基于微波回泵原子的探測系統，旨在解決現有技術中對快速開關激光束和產生多個激光頻率的需求導致光學器件的增加，以及由于兩束探測光中其中一束由兩個激光頻率的不同光斑而合成導致與另外一束單一頻率相比背景光強不統一的問題。