專利名稱：芯片式原子重力儀及其測量重力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種重力儀及其測量重力的方法，尤其是一種芯片式原子重力儀及其測量重力的方法，屬于重力測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，用于重力測量的重力儀主要有機械式和靜電式，以及最近發(fā)展起來的冷原子干涉重力儀。冷原子干涉重力儀的原理是利用重力引起干涉條紋的變化來實現(xiàn)重力的測量Δ Φ=2^ω3ηδ τ 其中，kEaman為拉曼光波矢，τ為兩次拉曼脈沖之間的積分時間，g為待測的重力大小。冷原子重力儀的精度可以達到10-ng/Hz1/2，是目前精度最高的重力測量儀器。但是當(dāng)下廣泛使用的噴泉式原子重力儀的缺點與不足是整個結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，要實現(xiàn)實用化往往會比較困難。同時，對于陸地重力測量應(yīng)用只要求10_9g/Hz1/2精度，但卻要求便于搬運，最好是可以攜帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量精確、可行性強，且易于實用化的芯片式原子重力儀。本發(fā)明的另一目的在于提供一種芯片式原子重力儀測量重力的方法。本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到芯片式原子重力儀，包括原子芯片、玻璃真空腔、離子泵、帶堿金屬釋放劑的電流饋通、真空閥和四通接頭；所述四通接頭的四個開口分別與玻璃真空腔、離子泵、電流饋通和真空閥連接，所述原子芯片作為玻璃真空腔的一個面連接在玻璃真空腔上，其特征在于所述原子芯片上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括沿y方向用于形成一維原子導(dǎo)引的第一導(dǎo)線；兩根沿X方向用于在y方向形成一維原子囚禁勢阱的第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線；以及兩組沿X方向用于在y方向形成態(tài)選擇雙阱的第一共面微波波導(dǎo)和第二共面微波波導(dǎo)。作為一種優(yōu)選方案，所述原子芯片上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述第一導(dǎo)線設(shè)置在底層，所述第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線、第一微波波導(dǎo)和第二微波波導(dǎo)設(shè)置在頂層。作為一種優(yōu)選方案，所述原子芯片采用真空膠粘接在玻璃真空腔上。作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃真空腔通過金屬法蘭與四通接頭的一個開口連接。本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到芯片式原子重力儀重力儀測量重力的方法，其特征在于包括以下步驟
I)通過真空閥與前級真空泵連接，將重力儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥，并利用離子泵將重力儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)；2)利用電流潰通加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量；3)在第一導(dǎo)線中通上電流，同時在第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片表面形成三維冷原子磁囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到此勢講中；4)增大共面微波波導(dǎo)和中的微波功率，在y方向的囚禁勢阱從一個變?yōu)閮蓚€，從而實現(xiàn)不同內(nèi)態(tài)原子的相干分束；當(dāng)微波功率達到最大時，接著減少微波功率，在y方向的囚禁勢阱從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束；5)利用π /2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團基態(tài)布居進行相干探測后，得到原子干涉條紋；如果保持原子移動方向為重力方向，即y方向保·持在重力方向，從干涉條紋讀出重力引起的相位差，然后通過下式計算出重力的大小
r π * ^ mg-AzΔΦ=———Γ
h其中，m為原子質(zhì)量，Λζ為原子在重力方向分開的距離，τ為兩次拉曼脈沖之間的積分時間。作為一種優(yōu)選方案，在步驟4)中，在冷原子團分束前，冷原子內(nèi)態(tài)制備到相干疊加態(tài)1/士(|1> + #/212〉);冷原子團被分開后，不同內(nèi)態(tài)的原子隨態(tài)選擇勢阱移動，先分開經(jīng)過不同的路徑后合并。作為一種優(yōu)選方案，所述相干疊加態(tài)1/七(|1〉+ ^2|2〉)的I 1>和|2>選擇的是原子內(nèi)態(tài)的兩個穩(wěn)定基態(tài)。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果I、本發(fā)明的重力儀利用原子芯片來操縱冷原子，整體結(jié)構(gòu)很小，便于攜帶，其積分時間不由空間長度決定，在小型化的基礎(chǔ)上具有很高的靈敏度，有廣闊的應(yīng)用前景。2、本發(fā)明的重力儀利用原子芯片上的態(tài)選擇勢阱來實現(xiàn)原子的分束和合束，在減小的情況下，可以通過增大來提高測量精度，從而在微型化的基礎(chǔ)上，也不會影響原子重力儀的精度。 3、本發(fā)明的重力儀利用原子內(nèi)態(tài)的相干與態(tài)選擇勢阱相結(jié)合來實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)干涉儀，從而實現(xiàn)原子干涉儀的微型化和實用化，并進一步利用微型化的原子干涉儀來實現(xiàn)對重力的精確測量。


圖I為本發(fā)明芯片式原子重力儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明芯片式原子重力儀的原子芯片導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例I :如圖I所示，本實施例的芯片式原子重力儀，包括原子芯片I、玻璃真空腔2、離子泵3、帶堿金屬釋放劑的電流饋通4、真空閥5和四通接頭6 ;所述四通接頭6的四個開口分別與玻璃真空腔2、離子泵3、電流饋通4和真空閥5連接，所述玻璃真空腔2與四通接頭6的一個開口之間通過金屬法蘭連接，所述原子芯片I采用真空膠粘接在玻璃真空腔2上，并作為玻璃真空腔2的一個面；從而使重力儀內(nèi)部形成一個密閉的真空結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述原子芯片I上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括沿y方向的第一導(dǎo)線7 ;兩根沿X方向的第二導(dǎo)線8和第三導(dǎo)線9以及兩組沿X方向的第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11。所述原子芯片I上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述第一導(dǎo)線7設(shè)置在底層，所述第二導(dǎo)線8和第三導(dǎo)線9、第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11設(shè)置在頂層。所述第一導(dǎo)線7形成一維原子導(dǎo)引，該一維原子導(dǎo)引在XZ平面上。所述第二導(dǎo)線8和第三導(dǎo)線9在y方向形成一維原子囚禁勢阱。所述第一共面微波波導(dǎo)10和第二共面微波波導(dǎo)11在y方向形成態(tài)選擇雙阱的。一維原子導(dǎo)引和一維原子囚禁勢阱在芯片表面形成三維原子囚禁勢阱。本實施例的芯片式重力儀測量重力的方法如下
I)通過真空閥5與前級真空泵連接，將重力儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥5，并利用離子泵3將重力儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)；2)利用電流潰通加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量，如銣原子；3)在第一導(dǎo)線7中通上電流，同時在第二導(dǎo)線8和第三導(dǎo)線9通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片I表面形成三維冷原子磁囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到此勢阱中；4)在冷原子團分束前，利用π /2拉曼脈沖將完成初態(tài)制備的冷原子制備到相干疊加態(tài)1/&(|1〉+ , 212))，此處11>和I 2>可選擇原子內(nèi)態(tài)的兩個穩(wěn)定基態(tài)如銣-87的5S基態(tài)F=I，mF=-l和F=2，mF=l ;接著增大第一共面微波波導(dǎo)10和11中的微波功率，實現(xiàn)原子囚禁勢阱的分開，即在y方向從一個勢阱分為兩個勢阱，且勢阱與原子內(nèi)態(tài)有關(guān)，處于11>和I 2>態(tài)的原子將囚禁在不同的勢阱中，從而實現(xiàn)態(tài)選擇原子的分束；當(dāng)微波功率達到最大時，接著減少微波功率，在y方向的囚禁勢阱從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束；5)利用π /2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團基態(tài)布居進行相干探測后，得到原子干涉條紋；如果保持原子移動方向為重力方向，即y方向保持在重力方向，從干涉條紋讀出重力引起的相位差，然后通過下式計算出重力的大小
,^ m2 ■ ArΔΦ=^——r
%其中，m為原子質(zhì)量，Λζ為原子在重力方向分開的距離，τ為兩次拉曼脈沖之間的積分時間。以上所述，僅為本發(fā)明優(yōu)選的實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.芯片式原子重力儀，包括原子芯片(I)、玻璃真空腔(2)、離子泵(3)、帶堿金屬釋放劑的電流饋通(4)、真空閥(5)和四通接頭(6)； 所述四通接頭(6)的四個開口分別與玻璃真空腔(2)、離子泵(3)、電流饋通(4)和真空閥(5)連接，所述原子芯片(I)作為玻璃真空腔(2)的一個面連接在玻璃真空腔(2)上，其特征在于所述原子芯片(I)上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括 沿y方向用于形成一維原子導(dǎo)引的第一導(dǎo)線(7); 兩根沿X方向用于在I方向形成一維原子囚禁勢阱的第二導(dǎo)線(8)和第三導(dǎo)線(9)； 以及兩組沿X方向用于在y方向形成態(tài)選擇雙阱的第一共面微波波導(dǎo)(10)和第二共面微波波導(dǎo)(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的芯片式原子重力儀，其特征在于所述原子芯片(I)上的導(dǎo)線分為底層和頂層，所述第一導(dǎo)線(7)設(shè)置在底層，所述第二導(dǎo)線(8)和第三導(dǎo)線(9)、第一共面微波波導(dǎo)(10)和第二共面微波波導(dǎo)(11)設(shè)置在頂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片式原子重力儀，其特征在于所述原子芯片(I)采用真空膠粘接在玻璃真空腔(2)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片式原子重力儀，其特征在于所述玻璃真空腔(2)通過金屬法蘭與四通接頭(6)的一個開口連接。
5.基于權(quán)利要求2所述重力儀測量重力的方法，其特征在于包括以下步驟 1)通過真空閥(5)與前級真空泵連接，將重力儀內(nèi)部抽到超高真空后，關(guān)閉真空閥(5 )，并利用離子泵(3 )將重力儀內(nèi)部維持在超高真空狀態(tài)； 2)利用電流潰通加熱堿金屬釋放劑維持真空中待冷卻原子的數(shù)量； 3)在第一導(dǎo)線(7)中通上電流，同時在第二導(dǎo)線(8)和第三導(dǎo)線(9)通上同向電流，在X方向施加均勻磁場，使原子芯片(I)表面形成三維冷原子磁囚禁勢阱，將預(yù)先制備的冷原子裝載到此勢阱中； 4)增大第一共面微波波導(dǎo)(10)和(11)中的微波功率，在y方向的囚禁勢阱從一個變?yōu)閮蓚€，從而實現(xiàn)不同內(nèi)態(tài)原子的相干分束；當(dāng)微波功率達到最大時，接著減少微波功率，在y方向的囚禁勢阱從兩個變?yōu)橐粋€，從而實現(xiàn)原子的合束； 5)利用η/2拉曼脈沖消除路徑信息，實現(xiàn)原子內(nèi)態(tài)的干涉；接著對冷原子團基態(tài)布居進行相干探測后，得到原子干涉條紋；如果保持原子移動方向為重力方向，即y方向保持在重力方向，從干涉條紋讀出重力引起的相位差，然后通過下式計算出重力的大小
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量重力的方法，其特征在于在步驟4)中，在冷原子團分束前，冷原子內(nèi)態(tài)制備到相干疊加態(tài)
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量重力的方法，其特征在于所述相干疊加態(tài)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種芯片式原子重力儀及其測量重力的方法，所述重力儀包括原子芯片、玻璃真空腔、離子泵、電流饋通、真空閥和四通接頭；四通接頭的四個開口分別與玻璃真空腔、離子泵、電流饋通和真空閥連接，原子芯片連接在玻璃真空腔上，原子芯片上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括沿y方向的第一導(dǎo)線；兩根沿x方向的第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線；以及兩組沿x方向的第一共面微波波導(dǎo)和第二共面微波波導(dǎo)；所述方法使原子芯片表面產(chǎn)生三維原子囚禁勢阱，并將冷原子裝載到該囚禁勢阱中，利用兩組共面微波波導(dǎo)在一維波導(dǎo)中分開和合并不同內(nèi)態(tài)的冷原子，從干涉條紋計算重力速度。本發(fā)明的重力儀便于攜帶，其積分時間不由空間長度決定，具有很高的靈敏度，有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01V7/00GK102944903SQ20121042146
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者顏輝, 李建鋒, 杜炎雄, 廖開宇 申請人:華南師范大學(xué)