[发明专利]能够测量旋转速度的在芯片上被设阱的冷原子的传感器

说明书

本发明涉及一种超冷原子传感器，所述超冷原子传感器能够测量沿测量轴线(14)的旋转速度，所述传感器包括：‑适用于在与所述测量平面隔有预定距离处生成第一超冷原子阱(T1)和第二超冷原子阱(T2)的部件，其中一个阱能够使超冷原子(12)的云固定成处于不同于另一阱的内部状态，所述部件包括：至少一个第一波导和至少一个第二波导(CPW1，CPW2)，所述至少一个第一波导和所述至少一个第二波导适用于以角频率ω_a和ω_b传播微波，所述波导不相交并且相对于称作对称轴线(Sy)的轴线对称地布置，与芯片(1)一体化的导线，所述导线适用于由直流电流穿过，‑所述部件构造用于改变所述超冷原子的能量，以便创建对于处于内部状态|a的超冷原子的势能最小值并且创建对于处于内部状态|b的超冷原子的势能最小值，因此形成了第一超冷原子阱和第二超冷原子阱，并且所述部件构造用于使所述阱(T1，T2)沿着封闭轨迹(16)移动，所述第一阱的超冷原子以一个方向经过所述封闭轨迹而所述第二阱的超冷原子以相反的方向经过所述封闭轨迹。

技术领域

本发明涉及用于测量旋转速度的系统，更具体地涉及芯片上的冷原子的陀螺测速仪。

背景技术

最初，陀螺测速术初始地建立在通过使用基于钟摆和弹簧的系统来执行的测量的基础上。现今，陀螺测速术借助于光学系统或借助于物质波来进行。在该背景下，Alzar等人(Garrido Alzar,C.L.,Yan,W.,Landragin,A.，2012年3月，关于通过使用原子芯片、高强度激光和高场现象进行高灵敏度旋转感测，见页JT2A-10，美国光学协会)提出了一种芯片上的紧凑的陀螺仪，所述陀螺仪使用在环形的磁导(称为波导，类似于电磁波导)中传播的物质波。在该类型的装置上通过利用萨格纳克(Sagnac)效应来执行对于旋转的测量。在以角速度Ω转动的参考系中，由萨格纳克效应引起的在两个反向旋转的物质波之间的相位差θ由下式给出：

其中，A是波导中包含的面积，m是原子的质量，是减小的普朗克常数。利用上述的原子萨格纳克效应，构成了在通常使用光学萨格纳克效应的陀螺测速仪领域中的技术突破：在所有其它因素保持不变时根据原子的类型和所考虑的光学频率υ通过数量mc²/hυ给出在原子萨格纳克相位差与光学萨格纳克相位差之间的比值，所述比值为10¹⁰或10¹¹的数量级。在由Alzar等人公开的装置中，冷原子被束缚在环形的磁导中。该装置允许原子的较长询问时间(大于1秒)和具有足够小的传播速度的扩散，以在测量时利用原子云的干涉条纹。通过印刷或放置将导线布置在芯片的底座上是一种用于实施磁性波导的典型方法。这种布置包括添加在波导的形态上的表面粗糙度。该元素构成主要的技术问题。事实上，当在波导中引导冷原子时，所述原子可遇到与所述芯片的表面粗糙度相关的这些变化。从波动的视角，原子中一部分可被反射而另一部分被传输，这具有的效果在于显著地增加了冷原子在波导中的扩散，并且因此导致可能不能够测量萨格纳克效应。

通常，CCD类型的摄像机用于在空间上测量在干涉形成区域中的原子的密度。该方法需要适用于显微术的光学装置；该类型的装配难以与嵌入式和/或紧凑的应用兼容。

文件CN102927978描述了一种原子芯片上的冷原子传感器，所述冷原子传感器包括：两个超高频波导10和11，所述两个超高频波导沿方向x彼此平行；两根导线8和9，所述两根导线也沿方向x布置在波导的每侧上；以及n根导线g1、g2、...、gn，所述n根导线沿垂直方向y布置，如图1所示。

具有两种内部状态|a和|b的冷原子被生成。

与均匀磁场组合的由波导和导线创建的势能的组合假设创建出两个势能最小值，所述两个势能最小值构成两个冷原子三维阱，每种内部状态对应于一个阱。所应用的不同电流能够使阱沿着轨迹移动，所述轨迹由所述阱中的一个(对应于处于一种内部状态的原子)以一个方向遵循并且由第二阱(对应于处于另一内部状态的原子)以另一方向遵循。

为了使该装置正确运行，一方面需要干涉仪的两种状态|a和|b以相干的方式叠加。