[发明专利]冷原子重力梯度仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷原子重力梯度仪、一种用于测量重力梯度的方法以及一种冷原子重力梯度仪系统。

背景技术

精确的重力或加速度测量在很多的技术领域是重要的。例如，在惯性导航领域中，可使用精确测量的加速度作为时间函数来准确地跟踪诸如船或飞行器之类的移动主体的轨迹。然而，当尝试精确地测量纯加速度时，必须小心操作以确保测量结果并未由于局部重力场的变化而偏斜。这是因为局部加速度在物理上不能与局部重力场区别开。该等效首先被艾伯特·爱因斯坦认识到，且现在成为爱因斯坦等效原理，其对要求高精度的任何惯性导航系统带来了麻烦。然而，可通过重力梯度仪来改善惯性测量以帮助确定是否诸如山之类的任何大型局部质量异常正在扰乱局部重力场，并且因此系统地影响局部加速度测量。

可使用局部重力场的精确地图来识别地下异常，诸如油气储层或地下燃料(sub-surface bunkers)。可通过其局部重力梯度标志的表征来从噪声信号唯一地识别此类地下结构或异常。

任何两个质量之间的引力与它们之间的距离的平方成反比例。此外，将局部重力梯度定义成作为沿着梯度仪的测量轴的距离的函数的局部重力场的变化。如图1A中所示，由地球产生的局部重力场呈现出沿着z轴的自然梯度。为了确定沿着z方向的局部重力梯度，例如为了确定地球的局部重力梯度，必须在例如分开距离z处进行两次局部重力测量。图1A示出了用g_z1和g_z2表示的两次此类测量的结果。通过对两次测量做减法并除以它们之间的距离来确定一维重力梯度

作为固有差分测量的重力梯度测量优于噪声系统中的简单加速度/重力测量，尤其是在可通过差分化程序来有效地消除共模噪声的情况下。

可以各种方式来测量局部重力或者等效地局部加速度。例如，可使用冷原子干涉仪来测量局部加速度。图1B示出了用于测量成对冷原子样本所经历的局部加速度的公知冷原子重力梯度仪的示例。通过使冷原子的样本暴露于光脉冲序列以促使原子分裂并沿着干涉仪的两个支腿行进来实现加速度测量，与在光学干涉仪中发生的并无太大不同。在光学情况下，最佳地将光理解为电磁波，而在冷原子的情况下，最佳地将原子理解为物质波，其具有由λ＝h/p给定的波长，其中，物质波的波长λ与原子的动量成反比例，并且h是普朗克常数。M.J.Snadden、J.M.McGuirk、P.Bouyer、K.G.Haritos以及M.A.Kasevich在Physical Review Letters 81,971(1998)中的“Measurement of the Earth’s Gravity Gradient with an Atom Interferometer-Based Gravity Gradiometer”中公开了基于冷原子的此类物质波干涉仪，下面参考图1B来概括其一部分。

图1B的设备包括在两个单独磁光阱中被俘获并冷却的冷原子的两个样本。磁光阱由冷原子云中的循环跃迁进行略微红失谐的频率稳定俘获激光束119形成。通常，需要复杂的光学系统以从单个俘获激光束119生成12个俘获激光束。该系统(未示出)通常要求多个射束分离器、反射镜以及偏振元件来产生六对相反传播俘获激光束(在图中示为在冷原子样本106和104处会聚的箭头)。磁阱在单独真空室(未示出)内在空间上分离。使用被激励的双光子拉曼激光脉冲的(π/2-π-π/2)脉冲序列来完成加速度测量。双光子拉曼脉冲驱动原子的状态按时地在两个原子基态超精细能级之间振荡，称为拉比振荡的现象。如在本领域中已知的，如果两个拉曼激光束相反地传播，则该三脉冲(π/2-π-π/2)序列结果形成原子干涉仪。在图1B中所示的系统中，从在自由空间中传播到偏振射束分离器105的双频射束103产生相向传播的拉曼激光束。然后用偏振射束分离器105将射束分离，具有第一频率ω₁的射束笔直地通过射束分离立方体105传播且因此立即通过两个冷原子云。具有第二频率ω₂的射束被射束分离器105和射束分离器107反射出去，并且然后平行于第一射束传播到反射镜109和110，其使第二射束重定向在与第一射束的传播方向相反的方向上通过两个冷原子云。