阅读说明：本技术 一种物质波源的实用化装置 (Practical device of matter wave source ) 是由 李嘉华 桑建芝 刘院省 王学锋 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：一种物质波源的实用化装置,属于原子干涉技术领域,该装置采用无源吸气剂泵解决真空系统的SWAP问题；使用异型反射镜和单光纤同时传输多频段激光有效降低光学系统的复杂性；并结合多层PCB板印制磁场线圈解决磁场系统SWAP问题,以期获得简便的原子干涉惯性器件用物质波源的物理系统。本发明采用内置异型反射镜,外包裹PCB线圈的真空腔体,与缠绕多组线圈框架,多路激光输出调节架的现有物质波源装置相比,能实现原子干涉惯性器件在SWAP-C上突破,更适用于较小空间环境下工作；采用时序控制的多重激光频率按照原子干涉过程分时同步或分步发射,进一步简化敏感头装置,更实用、稳定。(A practical device of a matter wave source belongs to the technical field of atomic interference, and the device adopts a passive getter pump to solve the SWAP problem of a vacuum system; the complexity of an optical system is effectively reduced by using the special-shaped reflector and the single optical fiber to simultaneously transmit multi-band laser; and the problem of SWAP of a magnetic field system is solved by combining a multilayer PCB printed magnetic field coil, so that a simple physical system of a substance wave source for an atomic interference inertia device is obtained. Compared with the existing substance wave source device which is wound with a plurality of groups of coil frames and a multi-path laser output adjusting frame, the invention can realize the breakthrough of an atomic interference inertia device on SWAP-C and is more suitable for working in a smaller space environment; the multiple laser frequency controlled by the time sequence is transmitted synchronously or step by step according to the atomic interference process, so that the sensitive head device is further simplified, and the method is more practical and stable.)

一种物质波源的实用化装置

技术领域

本发明涉及一种物质波源的实用化装置，属于原子干涉技术领域。

背景技术

从惯性器件的发展趋势来看，原子干涉惯性器件以其超高精度优势正在逐渐成为实现自主导航的关键技术。目前，在实验室静态环境中已经能够实现零偏稳定性较高的原子干涉陀螺仪和灵敏度较高的原子干涉加速度计，已经达到甚至超过INS/GNSS组合导航的精度。但是，与传统惯性器件相比，原子干涉惯性器件所面临的大体积，大重量，高功耗和高成本，即高SWAP-C问题，严重的阻碍了原子干涉惯性器件的实用化进程。NIST等原子干涉器件的主要研究单位均已开始逐步将研究的重心转向能够适应未来自主导航提供适应复杂环境要求的低SWAP-C实用化原子干涉惯性器件。

对比目前国内实验室内长度均在1m左右的原子干涉装置，原子干涉惯性器件在SWAP-C上还有着很大的下降空间和实用化潜力。阻碍原子干涉惯性器件实用化的关键问题主要受限于光学系统的复杂性、磁场系统的SWAP问题和真空系统的SWAP问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种物质波源的实用化装置，该装置采用无源吸气剂泵解决真空系统的SWAP问题；使用异型反射镜和单光纤同时传输多频段激光有效降低光学系统的复杂性；并结合多层PCB板印制磁场线圈解决磁场系统SWAP问题，以期获得简便的原子干涉惯性器件用物质波源的物理系统。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种物质波源的实用化装置，包括内置异型反射镜的真空腔体，包裹在真空腔体侧面的磁场线圈，安装在真空腔体一端的四分之一波片、格兰棱镜、光纤放大准直套筒，通过格兰棱镜反射探测信号的探测器，安装在真空腔体另一端的碱金属源，用于提供气室原子；磁场线圈在外部控制下提供时序磁场；

所述异型反射镜、四分之一波片、格兰棱镜、光纤放大准直套筒的中心轴重合，外部激光依次通过光纤放大准直套筒、格兰棱镜、四分之一波片后垂直入射到异型反射镜，在时序磁场下完成原子捕获；所述探测器用于采集反射探测信号完成惯性测量。

上述物质波源的实用化装置，优选的，还包括分子泵、复合泵，真空腔体在安装碱金属源的端面设有三爪型三通，分别用于连接分子泵、碱金属源、复合泵。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述磁场线圈为多层PCB板印制磁场线圈。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述磁场线圈包括磁光阱线圈、三组地磁线圈。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述真空腔体采用外壳L型支撑、上旋压顶圈方式将异型反射镜固定在真空腔体内。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述异型反射镜为空心反射镜，外部激光垂直入射后经过四面反射形成光束重合区域，且重合区域的中心与磁场线圈的中心重合。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述异型反射镜的固定均使用无磁钛钉。

上述物质波源的实用化装置，优选的，所述碱金属源为铷源。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用内置异型反射镜，外包裹PCB线圈的真空腔体，与缠绕多组线圈框架，多路激光输出调节架的现有物质波源装置相比，能实现原子干涉惯性器件在SWAP-C上突破，更适用于较小空间环境下工作；

(2)本发明采用时序控制的多重激光频率按照原子干涉过程分时同步或分步发射，进一步简化敏感头装置，更实用、稳定；

(3)本发明包络尺寸12cm*20cm*30cm，有效提高环境适应性；

(4)本发明采用单束光原子捕获装置，较少光学器件，提高光学系统稳定性，降低振动噪声，提高数据输出稳定性。

附图说明

图1为本发明装置的组成示意图。

附图标记：1-真空腔，2-异型反射镜，3-磁场线圈，4-四分之一波片，5-格兰棱镜，6-探测器，7-光纤放大准直套筒，8-三通。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种物质波源的实用化装置，包括内置异型反射镜的真空腔体，包裹在真空腔体侧面的磁场线圈，安装在真空腔体一端的四分之一波片、格兰棱镜、光纤放大准直套筒，通过格兰棱镜反射探测信号的探测器，安装在真空腔体另一端的碱金属源，用于提供气室原子；磁场线圈在外部控制下提供时序磁场；还包括分子泵、复合泵。

所述异型反射镜、四分之一波片、格兰棱镜、光纤放大准直套筒的中心轴重合，外部激光依次通过光纤放大准直套筒、格兰棱镜、四分之一波片后垂直入射到异型反射镜，在时序磁场下完成原子捕获；所述探测器用于采集反射探测信号完成惯性测量。真空腔体在安装碱金属源的端面设有三爪型三通，分别用于连接分子泵、碱金属源、复合泵。

所述磁场线圈为多层PCB板印制磁场线圈，包括磁光阱线圈、三组地磁线圈。所述真空腔体采用外壳L型支撑、上旋压顶圈方式将异型反射镜固定在真空腔体内。所述异型反射镜为空心反射镜，外部激光垂直入射后经过四面反射形成光束重合区域，且重合区域的中心与磁场线圈的中心重合。所述异型反射镜的固定均使用无磁钛钉。所述碱金属源为铷源。

实施例：

图1是本发明一种物质波源的实用化装置示意图。如图1所示，包括内置异性反射镜的真空腔体，包裹在腔体外壳周围的磁场线圈，下置四分之一波片和格兰棱镜，通过格兰棱镜反射探测系统信号的探测器和下方传输多种频率激光的光纤放大准直套筒。异性反射镜、四分之一波片、格兰棱镜和光纤放大准直套筒保持中心轴重合。各种频率的激光通过光纤放大准直套筒入射后经过格兰棱镜与四分之一波片后垂直入射进入异性反射镜，配合时序控制的磁场系统实现原子捕获以及操控，通过探测器采集信号反演计算实现原子干涉惯性器件测量功能。

所述真空腔体为钛制圆柱型，真空腔体的下端面有镀宽带宽增透膜的大窗口石英玻璃，用于垂直入射通过各种系统需要的频段激光。上三爪型三通，一个连接电加热式碱金属源用于提供气室原子，一个连接复合泵用于保持系统真空度，一个连接金属角阀用于连接分子泵等预抽真空的设备。

所述异性反射镜内置真空腔体中，采用真空腔外壳L型支撑、上旋压顶圈方式将其固定在真空腔中。

所述异性反射镜为空心反射镜，以便于大光斑激光垂直入射后经过四面反射形成光束重合区域，且重合中心与磁场线圈中心同一个点。

所述磁场线圈为多层PCB板印制磁场线圈，产生制备物质波所需的磁场。包含磁光阱线圈、三组地磁线圈、一组轴向取向磁场线圈。

本发明实施例提供的物质波源实用化装置是在高真空环境下实现的，真空腔采用剩磁很低的Ti-6Al-4V钛合金加工，圆柱体外形，下法兰连接直径50mm、镀有宽带宽增透膜的石英玻璃窗口。上三爪三通法兰，一个连接吸气剂泵，中间的连接铷源，另一个是转接金属角阀，便于连接分子泵等抽取UHV级的真空。

圆柱型腔体是考虑到异性反射镜的固定方式，下面利用真空腔外壳L型四点支撑，从上采用下旋压顶圈方式将其固定在真空腔中，固定脚之间有间隙便于铷蒸汽扩散进入异性反射镜中心。固定异性反射镜所需的顶圈采用轻质、低磁的铝材料，结构固定均使用无磁钛钉。

磁场线圈为8层PCB板印制磁场线圈，产生制备物质波所需的磁场。包含一对反亥姆霍兹磁光阱线圈，主要用以异性反射镜表面冷原子的捕获；三组亥姆霍兹线圈组成地磁线圈，起到微调中心磁场及原子团转移的作用，以创建中心零磁环境，以满足亚多普勒冷却的要求，三组中的一组轴向取向磁场线圈，满足原子干涉过程中态制备和干涉的磁场要求。三种线圈分三层印制，柔性无磁PCB板印制，包裹在真空系统腔外，使磁光阱线圈中心与异性反射镜中心重合，通过时序控制磁场开关时间。

真空腔体下是四分之一波片和格兰棱镜，光纤放大准直套筒，格兰棱镜反射方向放置探测器。异性反射镜、四分之一波片、格兰棱镜和光纤放大准直套筒保持中心轴重合。

各种频率的激光通过光纤放大准直套筒入射后经过格兰棱镜与四分之一波片后可变为圆偏振光，通过探测器采集信号反演计算实现原子干涉惯性器件测量功能。

外部冷却光和再泵浦光合束后，通过光纤放大准直套筒进入装置，光束配合时序控制的磁光阱线圈磁场系统实现铷87原子(来自于碱金属源)捕获和亚多普勒冷却；外部抽运光(通过光纤放大准直套筒)配合时序控制的取向磁场线圈系统实现态制备，然后通过π/2-π-π/2脉冲序列的外部拉曼光(通过光纤放大准直套筒)对实现原子干涉；外部探测光束(通过光纤放大准直套筒)后，可通过探测器实现原子能态荧光探测，也可实现归一化的荧光探测，可反演计算实现重力方向的加速度测量。外部冷却光和再泵浦光、外部抽运光、外部拉曼光、外部探测光束分时通过光纤放大准直套筒。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。