[发明专利]芯片式原子重力仪及其测量重力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种重力仪及其测量重力的方法，尤其是一种芯片式原子重力仪及其测量重力的方法，属于重力测量技术领域。

背景技术

目前，用于重力测量的重力仪主要有机械式和静电式，以及最近发展起来的冷原子干涉重力仪。冷原子干涉重力仪的原理是利用重力引起干涉条纹的变化来实现重力的测量：

ΔΦ=2k_Ramangτ

其中，k_Raman为拉曼光波矢，τ为两次拉曼脉冲之间的积分时间，g为待测的重力大小。

冷原子重力仪的精度可以达到10-¹¹g/Hz^1/2，是目前精度最高的重力测量仪器。但是当下广泛使用的喷泉式原子重力仪的缺点与不足是整个结构庞大复杂，要实现实用化往往会比较困难。同时，对于陆地重力测量应用只要求10^-9g/Hz^1/2精度，但却要求便于搬运，最好是可以携带。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作方便、测量精确、可行性强，且易于实用化的芯片式原子重力仪。

本发明的另一目的在于提供一种芯片式原子重力仪测量重力的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

芯片式原子重力仪，包括原子芯片、玻璃真空腔、离子泵、带碱金属释放剂的电流馈通、真空阀和四通接头；

所述四通接头的四个开口分别与玻璃真空腔、离子泵、电流馈通和真空阀连接，所述原子芯片作为玻璃真空腔的一个面连接在玻璃真空腔上，其特征在于：所述原子芯片上的导线结构包括

沿y方向用于形成一维原子导引的第一导线；

两根沿x方向用于在y方向形成一维原子囚禁势阱的第二导线和第三导线；

以及两组沿x方向用于在y方向形成态选择双阱的第一共面微波波导和第二共面微波波导。

作为一种优选方案，所述原子芯片上的导线分为底层和顶层，所述第一导线设置在底层，所述第二导线和第三导线、第一微波波导和第二微波波导设置在顶层。

作为一种优选方案，所述原子芯片采用真空胶粘接在玻璃真空腔上。

作为一种优选方案，所述玻璃真空腔通过金属法兰与四通接头的一个开口连接。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

芯片式原子重力仪重力仪测量重力的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）通过真空阀与前级真空泵连接，将重力仪内部抽到超高真空后，关闭真空阀，并利用离子泵将重力仪内部维持在超高真空状态；

2）利用电流溃通加热碱金属释放剂维持真空中待冷却原子的数量；

3）在第一导线中通上电流，同时在第二导线和第三导线通上同向电流，在x方向施加均匀磁场，使原子芯片表面形成三维冷原子磁囚禁势阱，将预先制备的冷原子装载到此势阱中；

4）增大共面微波波导和中的微波功率，在y方向的囚禁势阱从一个变为两个，从而实现不同内态原子的相干分束；当微波功率达到最大时，接着减少微波功率，在y方向的囚禁势阱从两个变为一个，从而实现原子的合束；

5）利用π/2拉曼脉冲消除路径信息，实现原子内态的干涉；接着对冷原子团基态布居进行相干探测后，得到原子干涉条纹；如果保持原子移动方向为重力方向，即y方向保持在重力方向，从干涉条纹读出重力引起的相位差，然后通过下式计算出重力的大小：

其中，m为原子质量，Δz为原子在重力方向分开的距离，τ为两次拉曼脉冲之间的积分时间。

作为一种优选方案，在步骤4）中，在冷原子团分束前，冷原子内态制备到相干叠加态冷原子团被分开后，不同内态的原子随态选择势阱移动，先分开经过不同的路径后合并。

作为一种优选方案，所述相干叠加态的|1>和|2>选择的是原子内态的两个稳定基态。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的重力仪利用原子芯片来操纵冷原子，整体结构很小，便于携带，其积分时间不由空间长度决定，在小型化的基础上具有很高的灵敏度，有广阔的应用前景。

2、本发明的重力仪利用原子芯片上的态选择势阱来实现原子的分束和合束，在减小的情况下，可以通过增大来提高测量精度，从而在微型化的基础上，也不会影响原子重力仪的精度。