专利名称：芯片式原子重力仪及其测量重力的方法
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Δ Φ=2^ω3ηδ τ 其中，kEaman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-ng/Hz1/2，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/Hz1/2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
I)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讲中；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
r π * ^ mg-AzΔΦ=———Γ
h其中，m为原子质量，Λζ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1/士(|1> + #/212〉);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1/七(|1〉+ ^2|2〉)的I 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I、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。 3、本发明的重力仪利用原子内态的相干与态选择势阱相结合来实现原子内态干涉仪，从而实现原子干涉仪的微型化和实用化，并进一步利用微型化的原子干涉仪来实现对重力的精确测量。
图I为本发明芯片式原子重力仪的结构示意图。图2为本发明芯片式原子重力仪的原子芯片导线结构示意图。
具体实施例方式实施例I :如图I所示，本实施例的芯片式原子重力仪，包括原子芯片I、玻璃真空腔2、离子泵3、带碱金属释放剂的电流馈通4、真空阀5和四通接头6 ;所述四通接头6的四个开口分别与玻璃真空腔2、离子泵3、电流馈通4和真空阀5连接，所述玻璃真空腔2与四通接头6的一个开口之间通过金属法兰连接，所述原子芯片I采用真空胶粘接在玻璃真空腔2上，并作为玻璃真空腔2的一个面；从而使重力仪内部形成一个密闭的真空结构。如图2所示，所述原子芯片I上的导线结构包括沿y方向的第一导线7 ;两根沿X方向的第二导线8和第三导线9以及两组沿X方向的第一共面微波波导10和第二共面微波波导11。所述原子芯片I上的导线分为底层和顶层，所述第一导线7设置在底层，所述第二导线8和第三导线9、第一共面微波波导10和第二共面微波波导11设置在顶层。所述第一导线7形成一维原子导引，该一维原子导引在XZ平面上。所述第二导线8和第三导线9在y方向形成一维原子囚禁势阱。所述第一共面微波波导10和第二共面微波波导11在y方向形成态选择双阱的。一维原子导引和一维原子囚禁势阱在芯片表面形成三维原子囚禁势阱。本实施例的芯片式重力仪测量重力的方法如下
I)通过真空阀5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5，并利用离子泵3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，如铷原子；3)在第一导线7中通上电流，同时在第二导线8和第三导线9通上同向电流，在X方向施加均匀磁场，使原子芯片I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)在冷原子团分束前，利用π /2拉曼脉冲将完成初态制备的冷原子制备到相干叠加态1/&(|1〉+ , 212))，此处11>和I 2>可选择原子内态的两个稳定基态如铷-87的5S基态F=I，mF=-l和F=2，mF=l ;接着增大第一共面微波波导10和11中的微波功率，实现原子囚禁势阱的分开，即在y方向从一个势阱分为两个势阱，且势阱与原子内态有关，处于11>和I 2>态的原子将囚禁在不同的势阱中，从而实现态选择原子的分束；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
,^ m2 ■ ArΔΦ=^——r
%其中，m为原子质量，Λζ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。以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.芯片式原子重力仪，包括原子芯片(I)、玻璃真空腔(2)、离子泵(3)、带碱金属释放剂的电流馈通(4)、真空阀(5)和四通接头(6)； 所述四通接头(6)的四个开口分别与玻璃真空腔(2)、离子泵(3)、电流馈通(4)和真空阀(5)连接，所述原子芯片(I)作为玻璃真空腔(2)的一个面连接在玻璃真空腔(2)上，其特征在于所述原子芯片(I)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(7); 两根沿X方向用于在I方向形成一维原子囚禁势阱的第二导线(8)和第三导线(9)； 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(10)和第二共面微波波导(11)。
2.根据权利要求I所述的芯片式原子重力仪，其特征在于所述原子芯片(I)上的导线分为底层和顶层，所述第一导线(7)设置在底层，所述第二导线(8)和第三导线(9)、第一共面微波波导(10)和第二共面微波波导(11)设置在顶层。
3.根据权利要求2所述的芯片式原子重力仪，其特征在于所述原子芯片(I)采用真空胶粘接在玻璃真空腔(2)上。
4.根据权利要求2所述的芯片式原子重力仪，其特征在于所述玻璃真空腔(2)通过金属法兰与四通接头(6)的一个开口连接。
5.基于权利要求2所述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(5)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(5 )，并利用离子泵(3 )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(7)中通上电流，同时在第二导线(8)和第三导线(9)通上同向电流，在X方向施加均匀磁场，使原子芯片(I)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)增大第一共面微波波导(10)和(11)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η/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
6.根据权利要求5所述的测量重力的方法，其特征在于在步骤4)中，在冷原子团分束前，冷原子内态制备到相干叠加态
7.根据权利要求6所述的测量重力的方法，其特征在于所述相干叠加态
全文摘要
本发明公开了一种芯片式原子重力仪及其测量重力的方法，所述重力仪包括原子芯片、玻璃真空腔、离子泵、电流馈通、真空阀和四通接头；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，原子芯片连接在玻璃真空腔上，原子芯片上的导线结构包括沿y方向的第一导线；两根沿x方向的第二导线和第三导线；以及两组沿x方向的第一共面微波波导和第二共面微波波导；所述方法使原子芯片表面产生三维原子囚禁势阱，并将冷原子装载到该囚禁势阱中，利用两组共面微波波导在一维波导中分开和合并不同内态的冷原子，从干涉条纹计算重力速度。本发明的重力仪便于携带，其积分时间不由空间长度决定，具有很高的灵敏度，有广阔的应用前景。
文档编号G01V7/00GK102944903SQ20121042146
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者颜辉, 李建锋, 杜炎雄, 廖开宇 申请人:华南师范大学