[發明專利]量子絕對重力儀

有效

• 申請號: 202011601431.5
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112666624B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 羅順燁;郭彬;鄔黎明;程冰;吳彬;周順
• 申請（專利權）人: 杭州微伽量子科技有限公司
• 主分類號: G01V7/02
• 分類號: G01V7/02;H02P8/14;H02P8/38
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司 33214
• 代理人: 李久林

本發明公開了一種量子絕對重力儀，其包括通過電線和/或光纖相互連接的控制系統、激光系統和探頭系統；所述光路開關設置于激光系統的光線出射路徑上，其包括電源、控制組件及執行組件，電源、控制組件及執行組件互相連接，所述執行組件設置于激光系統出光光路的一側，執行組件包括擋光部件及與其連接的用于驅動其轉動以開啟或關斷光路的步進電機，所述步進電機包括轉子及沿該轉子外側的某一周向至少設置第一繞組和第二繞組，控制組件分別與所述第一繞組和第二繞組連接，通過控制所述第一繞組及第二繞組內的電流方向、大小來驅動所述步進電機轉動，以使擋光部件遮擋或避讓光線。該重力儀可實現快速的開啟或斷開激光帶。

技術領域

本發明涉及一種重力測量設備，具體地說，是涉及一種可實現光路開關快速開啟和關斷的量子絕對重力儀。

背景技術

光路開關一般應用于激光光束的開關控制，通過旋轉擋片到指定位置，可以將光束完全關斷，從而達到光路中光束的可控開關。隨著光路的小型化，機械快門一般需要具備體積小，噪聲小，響應快，關斷快速準確等特點。

光路開關通常情況下主要由擋光片，步進電機和驅動電路三個部分組成。擋光片的作用為擋光，通過將擋光片固定在步進電機的轉子上，當步進電機轉子旋轉時，帶動擋光片一同旋轉，從而實現光路的開與關。這一過程則有驅動電路進行控制，其具體是通過調整流過步進電機的電流大小與方向，來實現對步進電機的控制。

目前常用的步進電機驅動電路為細分驅步法，目前已經被廣泛的應用于各種場景并基本能夠滿足使用需求。其步進電機的驅動電路采用脈沖控制信號來控制轉動的角度與速度，通過方向控制信號來實現步進電機的正反轉，從而實現光路的開與關。采用細分驅步法驅動步進電機正轉或反轉時，改變脈沖頻率只能進行步進快慢的控制，當給步進電機一較慢的脈沖頻率時，擋片會平穩的轉動一定角度而不會出現抖動或過沖等失步的情況，但時間上無法滿足快速關斷的要求。當加快脈沖頻率后，擋片在到達擋光位置時還有一定的速度，導致其最終在擋光位置附近來回抖動影響擋光效果。雖然這種抖動可通過調整細分撥碼開關進行調整，比如增大細分數從而減小抖動，但這種解決方案會增大光路的關斷時間，無法適用于需要快速開關的應用場景中。

此外，在需要快速光開關的小型化光路中，一般要求步進電機直徑不超過15mm，步進電機長度不超過20mm，同時又要求關斷最大10mm的光斑。常見該體積的步進電機轉子轉動慣量小于10gm^2，而擋光片的轉動慣量大于不僅步進電機轉子本身的轉動慣量，這樣，當擋光片轉動慣量過大時，采用傳統的細分驅步法就會存在擋光片在到達指定位置后，由于慣性繼續往前運動，造成的抖動。例如：常見的滿足體積要求的20步步進電機(單步18度，轉矩約1mNm)，在安裝擋光片后，單步步進時間約為4ms，步進兩步到36度的時間約為6ms，但由于慣性會在該角度附近來回擺動，最終停止時間約100ms左右，初次過沖的最大角度可達18度以上，過沖會影響擋光效果，一般為了機械快門能快速響應，設計的擋光片形狀略大于光斑尺寸，一旦過沖超過2-3度左右就無法進行關斷，所以傳統的細分驅步無法適用于需要快速光開關的小型化光路中。

量子絕對重力儀是小型化光路開關的主要應用場景之一，現有的新型的高精度絕對重力測量儀器一般利用微觀的原子作為測試質量體，基于冷原子物質波干涉的方法實現精密的重力加速度測量。冷原子作為一團獨特的量子物質，利用它可以實現類似與光波干涉的原子物質波干涉，通過激光脈沖實現原子波包的分束、偏轉、合束，從而實現原子干涉條紋，重力加速度會改變微觀原子的下落路徑，因此改變干涉條紋的相位。通過提取原子干涉條紋的相位，得到重力加速度的信息。在該儀器中，光路的快速啟閉在捕獲、冷卻、干涉及探測原子的過程中至關重要，其直接影響最后的測量精度。

基于此，光路開關的快速關斷在小型化光路應用場景的重要指標，如何在實現快速關斷的同時，避免終止位附近的抖動是目前光路開關研究領域的主要難點之一。

發明內容

基于上述技術問題，本發明的目的是提供量子絕對重力儀，該重力儀可實現快速的開啟或斷開激光帶，可有效提高重力測量結果精確度。