阅读说明：本技术 一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置和测量方法 (Device and method for measuring wavefront distortion of atomic absolute gravimeter in real time ) 是由 朱皓冉 汤彪 黄攀威 陈曦 王谨 詹明生 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置,包括激光光源,还包括激光耦合头、分光平片、反射镜、WFS波前分析仪、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片,本发明还公开了一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法,本发明在真空腔抽真空之后,在真空腔外部就可以实时进行测量,就可以得到激光经过真空腔底部窗片之后的波前畸变,克服了在真空腔安装后测量真空腔底部窗片面型的困难。(The invention discloses a device for measuring wavefront distortion of an atomic absolute gravimeter in real time, which comprises a laser source, a laser coupling head, a light splitting flat sheet, a reflector, a WFS wavefront analyzer, and a vacuum cavity bottom window sheet arranged on a vacuum cavity.)

一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置和测量方法

技术领域

本发明属于原子绝对重力仪波前畸变测量领域，尤其涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，还涉及一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法。

背景技术

原子绝对重力仪是基于原子干涉仪的一种新型重力仪，其基本原理是在真空中上抛或自由下落一团原子，利用一对拉曼光(波长为780nm)的操控实现原子团的分束，反射和干涉，得到包含重力信息的干涉条纹从而推导出绝对重力加速度的值。由于干涉仪的测量依赖于它的两个路径之间的相位差，因此每个原子就像一个单独的重力探测器，不受漂移、老化或磨损的影响。原子绝对重力仪经过几十年的发展，目前已经成为高精度绝对重力测量的主要仪器之一。

影响原子绝对重力仪测量精度一个很重要的因素是波前畸变带来的影响。图1展示了用

的拉曼脉冲(波长为780nm的脉冲激光)序列在真空腔中实现原子干涉的过程和实验的装置图。最后得到的原子平均跃迁概率为:

其中，其中，Δφ＝Δφ₀+δφ，包含重力信息的部分为Δφ₀＝k_effgT²,δφ为波前畸变系统误差带来的相移。因此重力的测量误差δg可以表示为:

k_eff是有效波矢，可以写成k_eff＝k_a+k_b,T是原子自由演化时间。

波前畸变的相位误差是指由于拉曼光(780nm波长的激光)波阵面的非平行导致g的测量出现偏移。其波前像差可以表示为:

Δφ_wavefront＝Δφ₁-2Δφ₂+Δφ₃，

Δφ₁、Δφ₂、Δφ₃分别表示在脉冲-π脉冲

脉冲时波前畸变带来的相位误差，如图2所示，由于原子具有横向扩散速度，且原子的位相与原子团的位置有关，所以经过干涉过程后，波前畸变导致的相位误差为：

n_i(r)表示

脉冲、π脉冲、

脉冲时原子团的分布情况，由于原子具有横向扩散速度，所以每个阶段其分布情况都不相同。δφ_wf是指拉曼光波前的相位差，准直的拉曼光可以看作平面波，因此波前像差是由装置中真空腔底部的窗口、四分之一波片和装置底部的拉曼光反射镜不是严格的平面导致如图1。在光学元件镜面畸变无法消除的情况下，最理想的办法是测出腔底部窗口、四分之一波片和底部反射镜的面型，计算拉曼光的波前畸变及带来的偏差。

事实上，我们可以使用Shack Hartmann波前分析仪测出被测元件的面型。如图4，测量透射元件的面型，只需要先测量与待测面型面积相同或更大的较为准直的激光(我们选择780nm波长的激光，为原子干涉仪中拉曼光波长)作为参考面型，再将待测元件的放入光路中由波前分析仪测到结果，两次结果相减就是该元件的面型，就可以知道激光透射该元件引入的波前畸变。用这种方法可以很容易的测量四分之一波片和反射镜带来的波前畸变，但是由于真空腔是封闭的，技术方面还不能从真空腔内部出射激光作为参考光实时进行测量，因此没办法用该理想方法进行系统误差分析波前畸变引起的g的测量不确定度。解决真空腔底部窗片所加入的波前畸变是解决我们所提问题的关键。

目前最常用的办法是通过改变拉曼光斑大小或温度等条件，利用每次得到的g的偏差值拟合重塑波面面型。由于光斑的直径小到一定程度后会使干涉信号的信噪比极低，不能完美的拟合波面，而通过已知数据通过拟合外推是根据已知数据趋势的预测，所以仍会有很大的不确定度。现有的技术方法无法准确的得到。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有方法存在的上述缺点和不足，提供一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，还可以提供一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光光源，还包括激光耦合头、分光平片、反射镜、WFS波前分析仪、和设置在真空腔上的真空腔底部窗片，

激光光源经激光耦合头出射激光，激光耦合头出射的激光经过分光平片形成透射光和反射光，透射光射向反射镜，反射镜对透射光进行反射，经反射镜反射的透射光沿原光路返回至分光平片，分光平片将自反射镜反射的透射光反射至WFS波前分析仪；反射光入射至真空腔底部窗片，真空腔底部窗片对反射光进行反射，经真空腔底部窗片反射的反射光原光路返回至分光平片并透射分光平片进入WFS波前分析仪。

如上所述的激光光源经激光耦合头出射激光为第一激光或第二激光，真空腔底部窗片外侧一面镀设有第一反射膜，第一激光的波长和第一反射膜的反射波长相同，真空腔底部窗片内侧一面镀设有第二反射膜，第二激光的波长和第二反射膜的反射波长相同。

如上所述的激光耦合头上镀设全透膜，第一激光至第二激光的波长范围被包含在全透膜的透射波长范围内。

一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、先由激光光源经激光耦合头出射第一激光，先遮挡真空腔底部窗片，使第一激光部分透射分光平片射向反射镜，反射镜对第一激光进行反射，经反射镜反射的第一激光原光路反射回分光平片并由分光平片反射到WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第一面型测量结果，

步骤2、遮挡反射镜，第一激光部分经分光平片反射后射向真空腔底部窗片，真空腔底部窗片的外侧一面镀设的第一反射膜对第一激光进行反射，经第一反射膜反射的第一激光原光路反射回分光平片并透射分光平片射入WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第二面型测量结果，第二面型测量结果减去第一面型测量结果得到第一面型差值；

步骤3、由激光光源经激光耦合头出射第二激光，先遮挡真空腔底部窗片，使第二激光部分透射分光平片射向反射镜，反射镜对第二激光进行反射，经反射镜反射的第二激光原光路反射回分光平片并由分光平片反射到WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第三面型测量结果，

步骤4、遮挡反射镜，第二激光部分经分光平片反射后射向真空腔底部窗片，真空腔底部窗片内侧一面镀设的第二反射膜对第二激光进行反射，经第二反射膜反射的第二激光原光路反射回分光平片并透射分光平片射入WFS波前分析仪，记录WFS波前分析仪测量到的第四面型测量结果，第四面型测量结果减去第三面型测量结果得到第二面型差值；

通过以下方程组得到真空腔底部窗片外侧镀设有第一反射膜的一面的面型函数H₂，和真空腔底部窗片内侧镀设有第二反射膜的一面的面型函数H₁，

其中，k₁、k₂分别为第一激光和第二激光的波矢，n₁，n₂分别为第一激光和第二激光在真空腔底部窗片中的折射率，

通过以下公式，获得波长为第一激光波长～第二激光波长之间的激光通过真空腔底部窗片所加入的波前畸变δ₃：

δ₃＝k₃(n₃-1){H₁-H₂}

k₃为第三激光的波矢，第三激光的波长位于第一激光波长～第二激光波长之间，n₃为第三激光在真空腔底部窗片中的折射率。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

真空腔抽真空之后，在真空腔外部就可以实时进行测量，就可以得到激光经过真空腔底部窗片之后的波前畸变，克服了在真空腔安装后测量真空腔底部窗片面型的困难，并且能实时测量真空腔底部窗片5的面型，对比现在国内国际主要使用的外推法评估波前畸变系统误差的方法更准确。

附图说明

图1为原子绝对重力仪实验装置及原理图；

图2为波前畸变原理图；k_a，k_b是波长为780nm的拉曼光；

图3为本发明测量装置结构示意图；

图4为WFS波前分析仪(Shack Hartmann波前分析仪)使用示意图；

图5为真空腔底部窗片镀膜示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的装置，包括激光耦合头1、分光平片2、反射镜3、WFS波前分析仪4、真空腔底部窗片5、和激光光源6。

激光光源6经激光耦合头1出射激光，激光耦合头1出射的激光经过分光平片2形成透射光和反射光，透射光射向反射镜3，反射镜3对透射光进行反射，经反射镜3反射的透射光沿原光路返回至分光平片2，分光平片2将自反射镜3反射的透射光反射至WFS波前分析仪4；反射光入射至真空腔底部窗片5，真空腔底部窗片5对反射光进行反射，经真空腔底部窗片5反射的反射光原光路返回至分光平片2并透射分光平片2进入WFS波前分析仪4。

激光光源6经激光耦合头1出射激光为第一激光或第二激光。真空腔底部窗片5外侧一面镀设有第一反射膜，第一激光的波长(本实施例第一激光的波长为630nm)和第一反射膜的反射波长相同，第一反射膜只反射第一激光(对除第一波长激光的波长之外的激光全透)，真空腔底部窗片5内侧一面镀设有第二反射膜，第二激光的波长(本实施例第二激光的波长为850nm)和第二反射膜的反射波长相同，第二反射膜只反射第二激光(对除第二波长激光的波长之外的激光全透)。

激光耦合头1上镀设全透膜，第一激光至第二激光的波长范围被包含在全透膜的透射波长范围内，使得激光光源6经激光耦合头1出射第一激光和第二激光的出射光路相同。

反射镜3的反射面的表面粗糙度RMS<1/20λ，λ为激光光源6经激光耦合头1出射激光的波长。

WFS波前分析仪4使用夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)传感器，可以测量入射光波前，在有参考面型的情况下可以测得光学元件的波前。

在本实施例中，全透膜的透射波长范围为600nm～900nm，第一激光的波长为630nm，第二激光的波长范围为850nm。

一种实时测量原子绝对重力仪波前畸变的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、先由激光光源6经激光耦合头1出射第一激光(本实施例中，第一激光的波长为630nm)，先遮挡真空腔底部窗片5，使第一激光部分透射分光平片2射向反射镜3，反射镜3对第一激光进行反射，经反射镜3反射的第一激光原光路反射回分光平片2并由分光平片2反射到WFS波前分析仪4，此时记录WFS波前分析仪4测量到的第一面型测量结果为δ₃₆₀₍₀₎，

步骤2、遮挡反射镜3，第一激光部分经分光平片2反射后射向真空腔底部窗片5，真空腔底部窗片5的外侧一面镀设的第一反射膜对第一激光进行反射，经第一反射膜反射的第一激光原光路反射回分光平片2并透射分光平片2射入WFS波前分析仪4，记录此时WFS波前分析仪4测量到的第二面型测量结果为δ₃₆₀₍₁₎，第二面型测量结果减去第一面型测量结果得到第一面型差值δ₃₆₀，即δ₃₆₀＝δ₃₆₀₍₁₎-δ₃₆₀₍₀₎；

步骤3、由激光光源6经激光耦合头1出射第二激光(本实施例中，第二激光的波长为850nm)，先遮挡真空腔底部窗片5，使第二激光部分透射分光平片2射向反射镜3，反射镜3对第二激光进行反射，经反射镜3反射的第二激光原光路反射回分光平片2并由分光平片2反射到WFS波前分析仪4，此时记录WFS波前分析仪4测量到的第三面型测量结果为δ₈₅₀₍₀₎，

步骤4、遮挡反射镜3，第二激光部分经分光平片2反射后射向真空腔底部窗片5，真空腔底部窗片5内侧一面镀设的第二反射膜对第二激光进行反射，经第二反射膜反射的第二激光原光路反射回分光平片2并透射分光平片2射入WFS波前分析仪4，记录此时WFS波前分析仪4测量到的第四面型测量结果为δ₈₅₀₍₁₎，第四面型测量结果减去第三面型测量结果得到第二面型差值δ₈₅₀，δ₈₅₀＝δ₈₅₀₍₁₎-δ₈₅₀₍₀₎；

根据第一激光和第二激光在真空腔底部窗片5的两面反射的物理过程如图5，可以得到以下方程组

其中，k₁、k₂分别为第一激光和第二激光的波矢，n₁，n₂分别为第一激光和第二激光在真空腔底部窗片5中的折射率，都为已知量，可以通过上述方程组得到真空腔底部窗片5外侧镀设有第一反射膜(630nm反射膜的)的一面的面型函数H₂，和真空腔底部窗片5内侧镀设有第二反射膜(850nm反射膜)的一面的面型函数H₁，

最终我们可以根据以下方程

δ₃＝k₃(n₃-1){H₁-H₂}

计算得到第三激光(例如780nm波长的激光)通过真空腔底部窗片5所加入的波前畸变δ₃。其中，k₃为第三激光的波矢，第三激光的波长位于第一激光波长(630nm)～第二激光波长(850nm)之间，n₃为第三激光在真空腔底部窗片5中的折射率。

本实施例中的组成构件说明：

激光耦合头1，镀有对第一激光和第二激光全透的全透膜，使得第一激光(波长为630nm)和第二激光(波长为850nm)经激光耦合头1出射的激光的路径完全相同。

在实施例中，第一激光的波长为630nm，第二激光的波长为850nm，激光耦合头1的全透膜的全透波长范围为600nm～900nm。

分光平片2，厚度1.5mm，作用是激光的分束。

反射镜3，用来提供测量真空腔底部窗片5的面型，反射镜3的反射面的表面粗糙度RMS<1/20λ，激光波长。

WFS波前分析仪4，可以探测入射激光的波前，也可用来测量光学元件的面型，但是需要先测量参考面作为参考，参考面面型由反射镜3的反射光提供。

真空腔底部窗片5，外侧一面镀设有第一反射膜，第一激光的波长和第一反射膜的反射波长相同，第一反射膜只反射第一激光(对除第一波长激光的波长之外的激光全透)，内侧一面镀设有第二反射膜，第二激光的波长和第二反射膜的反射波长相同，第二反射膜只反射第二激光(对除第二波长激光的波长之外的激光全透)。

本实施例中，第一反射膜的反射波长为630nm，第二反射膜的反射波长为850nm。第一反射膜和第二反射膜对波长780nm的激光光全透，如图5所示。

两种不同波长的激光光源6，用来提供分别波长为630nm和850nm的第一激光和第二激光。

综上所述，本发明与目前现有的根据改变拉曼光半径和温度等参数外推得到真空腔底部窗片的方法相比，可以最直接准确的测量到由真空腔底部窗片带给激光波前的附加相位，从而能准确的计算波前畸变的系统误差。

本发明中所描述的具体实施案例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。