一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置
阅读说明：本技术 一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置 (Device for adjusting motion parameters of atomic fountain ) 是由 张程 徐文杰 程源 刘杰 周敏康 胡忠坤 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置,包括：上三束囚禁光模块,下三束囚禁光模块和可移动型六维平台模块；上三束囚禁光模块用于射入上面三束囚禁冷却光以及固定上反亥姆赫兹线圈；下三束囚禁光模块用于射入下面三束囚禁冷却光、固定下反亥姆赫兹线圈以及射入一束回泵光；可移动型六维平台模块包括转台部分、二维平移台部分、升降台部分以及二维俯仰台部分；转台部分用于调节原子团初始速度方向；二维平移台部分和升降台部分用于调节原子团初始位置；二维俯仰台部分用于调节原子团初始速度方向。本发明可对喷泉内的原子团实现三维平动(X、Y、Z)和三维转动(Ωx、Ωy、Ωz)的精确控制。(The invention provides a device for adjusting the motion parameters of an atomic fountain, which comprises: the system comprises an upper three-beam trapping optical module, a lower three-beam trapping optical module and a movable six-dimensional platform module; the upper three trapping optical modules are used for emitting the upper three trapping cooling light beams and fixing an upper reverse Helmholtz coil; the lower three trapping optical modules are used for emitting the lower three trapping cooling light beams, fixing the lower reverse Helmholtz coil and emitting one beam of pumping-back light; the movable six-dimensional platform module comprises a rotary table part, a two-dimensional translation table part, a lifting table part and a two-dimensional pitching table part; the turntable part is used for adjusting the initial speed direction of the atomic group; the two-dimensional translation table part and the lifting table part are used for adjusting the initial position of the atomic group; the two-dimensional pitching platform part is used for adjusting the initial speed direction of the atomic group. The invention can realize the accurate control of three-dimensional translation (X, Y, Z) and three-dimensional rotation (omega x, omega y and omega z) of atomic groups in the fountain.)
技术领域
本发明属于原子喷泉运动参数调节装置领域，更具体地，涉及一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置。
背景技术
冷原子物理是自上世纪90年代起物理学最热门、发展最为迅速的领域之一，得益于激光冷却技术的成熟发展，利用冷原子实现的干涉仪则广泛应用于重力及重力梯度测量，转动测量，超精细结构常数测量，等效原理检验，探测引力波等方面。而原子喷泉则是原子干涉实验中最基础的一部分，通常会利用激光和磁场配合对原子团实现冷却囚禁，相当于将原子稳定装载于一个势阱中，防止原子扩散，势阱是一个原子团处处受到各个方向向内作用的势能封闭区域，原子动能低于势阱深度，所以陷俘于势阱中固定位置。之后需要将原子团上抛出去，在飞行途中实现干涉和探测。但如果原子喷泉初始的位置、速度大小和上抛方向与设计参考值有出入，此时原子的飞行轨迹就会发生或大或小的偏离，这会对实验带来干扰，从而影响最终测量精度，此项对对抛实验的影响尤为显著。对抛实验中，通常有两个原子喷泉，如两边原子飞行轨迹不重合，则会影响差分效果，也会使得激光脉冲的效率不均匀，从而影响干涉条纹对比度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置，旨在解决原子喷泉初始的位置、速度大小和上抛方向无法精密控制的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置，包括：上三束囚禁光模块、下三束囚禁光模块、真空容器以及可移动型六维平台模块；
所述上三束囚禁光模块的结构为一个开口向下的罩子，其上设置有三个扩束器窗口，以固定三个上囚禁光扩束器，还设置有一个线圈窗口，以固定上反亥姆赫兹线圈；
所述下三束囚禁光模块的结构为一个开口向上的罩子，其上设置有三个扩束器窗口，以固定三个下囚禁光扩束器，还设置有一个线圈窗口，以固定下反亥姆赫兹线圈；上三束囚禁光模块固定位于下三束囚禁光模块上面，两个罩子的开口方向对称；上三束囚禁光模块的三个扩束器窗口和下三束囚禁光模块的三个扩束器窗口分别两两对称设置，上三束囚禁光模块的线圈窗口和下三束囚禁光模块的线圈窗口对称设置；
所述真空容器内包含原子团，其置于所述上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块内部；当上三束囚禁光模块上装配三个上囚禁光扩束器和上反亥姆赫兹线圈，以及下三束囚禁光模块上装配三个下囚禁光扩束器和下反亥姆赫兹线圈时，三个上囚禁光扩束器和三个下囚禁光扩束器产生六束囚禁光和两个反亥姆赫兹线圈提供的磁场作用于真空容器内的原子团，产生磁光阱，将原子团囚禁于真空容器内，所述磁光阱内的原子团被上抛后，原子将做喷泉运动；
所述可移动型六维平台模块包括：转台、平移台、升降台以及俯仰台；所述升降台置于转台上面，平移台置于升降台上面，俯仰台置于平移台上面，所述下三束囚禁光模块固定于所述俯仰台上面，转台带动下三束囚禁光模块沿着XY平面转动，升降台带动下三束囚禁光模块升降，平移台带动下三束囚禁光模块平移，俯仰台带动下三束囚禁光模块转动沿着YZ平面、XZ平面方向的转动；下三束囚禁光模块的运动使得六束囚禁光和两个反亥姆赫兹线圈运动，进而带动所述磁光阱内的原子团运动，以对原子喷泉运动的初始参数进行调节，所述初始参数包括：原子团的初始位置和原子团的初始速度方向。
具体地，当可移动型六维平台模块带动下三束囚禁光模块运动时，位于其上面的上三束囚禁光模块也跟着运动，进而使得六束囚禁光和两个反亥姆赫兹线圈运动，改变了作用于原子团的囚禁光和磁场的方向，进而带动所述磁光阱内的原子团运动跟着囚禁光和磁场方向的改变的方向运动。
另外，需要说明的是，真空容器和上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块不直接接触，真空容器不会随着上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块的运动而运动，但是真空容器上囚禁光的入射窗口本身的大小是允许囚禁光小范围移动的。
在一个可选的实施例中，所述原子喷泉运动的初始参数还包括：原子团的初始速度；
通过控制三个上囚禁光扩束器产生的三束囚禁光与三个下囚禁光扩束器产生的三束囚禁光的频率差控制原子团的初始速度。
在一个可选的实施例中，所述转台转动时，其带动升降台、平移台、俯仰台、上三束囚禁光模块以及下三束囚禁光模块同时转动，进而实现原子团初始速度方向沿着XY平面转动。
在一个可选的实施例中，所述升降台在Z轴方向升降时，其带动平移台、俯仰台、上三束囚禁光模块以及下三束囚禁光模块同时升降，进而实现原子团的初始位置沿着Z轴方向平移。
在一个可选的实施例中，所述平移台在X轴或Y轴方向平移时，其带动俯仰台、上三束囚禁光模块以及下三束囚禁光模块同时平移，进而实现原子团的初始位置沿着X轴或Y轴方向平移。
在一个可选的实施例中，所述俯仰台沿着YZ平面或XZ平面转动时，其带动上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块同时转动，进而实现原子团的初始速度方向沿着YZ平面或XZ平面转动。
在一个可选的实施例中，调节升降台和平移台以调节原子团在X轴、Y轴和Z轴方向的初始位置；
调节转台和俯仰台以调节原子团初始速度方向相对于XY平面、XZ平面和YZ平面的夹角。
可选地，所述下三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块通过螺丝固定。
可选地，所述下三束囚禁光模块通过螺丝固定于所述可移动型六维平台模块的俯仰台上面。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种对原子喷泉运动参数进行调节的装置，可对喷泉内的原子团初始位置实现三维平动(X、Y、Z)和原子团初始速度方向三维转动(Ωx、Ωy、Ωz)的精确控制，并通过控制囚禁光的频率控制原子团的初始速度大小。
本发明可以实现实时调节，具有可移动性、便携性等特点，较好的满足了冷原子实验中对原子喷泉的控制需求和参数要求。本发明调节范围和精度由六维平台的行程和精度决定，不受限制。本发明提供的装置可以广泛适用于量子惯性传感领域，易与测试容器相互适配，且工作过程中真空容器主体无需移动，仅需控制此装置便可实现喷泉参数调节。
附图说明
图1为本发明提供的对原子喷泉运动参数调节装置模块示意图；
图2为本发明提供的对原子喷泉运动参数调节装置结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100是上三束囚禁光模块；200是下三束囚禁光模块；300是可移动型六维平台模块；101是第一束囚禁光窗口；102是上反亥姆赫兹线圈固定位置；103是第一束囚禁光；104是第二束囚禁光；105是第二束囚禁光窗口；106是第三束囚禁光；107是第三束囚禁光窗口；108是第一固定面；201是第四束囚禁光窗口；202是第四束囚禁光；203是回泵光窗口；204是第五束囚禁光窗口；205是第五束囚禁光；206是下反亥姆赫兹线圈固定位置；207是第六束囚禁光窗口；208是第六束囚禁光；209是回泵光；210是第二固定面；211是第三固定面；301是YZ平面夹角(Ωx)调节旋钮；302是二维平移台；303是二维俯仰台；304是X方向调节旋钮；305是转台；306是转台(Ωz)调节旋钮；307是升降台；308是Z方向调节旋钮；309是XZ平面夹角(Ωy)调节旋钮；310是Y方向调节旋钮；311是第四固定面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是一个用于实现原子喷泉运动的装置，可通过调节该装置来改变原子团的运动参数，这样便可精准控制原子团的飞行轨迹，利于后续的干涉和探测过程，满足原子干涉仪的使用需求，提高测量精度和能力。
本发明的可移动调节适配装置，包括：上三束囚禁光模块，下三束囚禁光模块和可移动型六维平台模块；
所述上三束囚禁光模块长可以为20cm，宽为20cm，高为15cm，用于固定上面三束囚禁光的扩束器、上反亥姆赫兹线圈以及与下三束囚禁光模块相互固定；
所述下三束囚禁光模块长可以为20cm，宽为20cm，高为15cm，用于固定下面三束囚禁冷却光的扩束器、反亥姆赫兹线圈和一束回泵光的扩束器，在与上三束囚禁光模块相互固定后，整体固定于可移动型六维平台模块之上；磁光阱(MOT)是由上下三束囚禁光扩束器产生的囚禁光和上下反亥姆赫兹线圈构成，这里上下三束囚禁光的交点和上下反亥姆赫兹线圈的轴心重合，原子则会囚禁在磁光阱的中心。通过同时改变上三束囚禁光频率和下三束囚禁光频率差可实现原子喷泉，而原子喷泉方向则是上三束囚禁光和下三束囚禁光轴心方向。
具体地，本发明通过同时改变上三束囚禁光频率和下三束囚禁光频率差可实现原子喷泉，且可通过控制所述频率差的大小控制原子团喷泉运动的初始速度大小。
所述可移动型六维平台模块包括：三维平移台、转台以及二维俯仰台；其中三维平移台长宽可以为25cm，高为10cm，可实现上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块的三维整体平动，进而实现原子团中心的三维平动，即原子团初始位置的三维平动。转台直径可以为35cm，二维俯仰台长宽为25cm，它们可实现上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块的三维整体转动，进而实现原子团初速度方向沿着三维转动。
在一个可选的实施例中，所述囚禁光模块中囚禁光模块配置具体如下：
其中，所述上三束囚禁光模块包括：第一束囚禁光窗口，第二束囚禁光窗口，第三束囚禁光窗口，上反亥姆赫兹线圈以及与下三束囚禁光模块相互固定的固定面；工作时，第一束囚禁光从第一束囚禁光窗口射入，第二束囚禁光从第二束囚禁光窗口射入，第三束囚禁光从第三束囚禁光窗口射入，该模块整体与下三束囚禁光模块用螺丝紧固。
其中，所述下三束囚禁光模块包括：第四束囚禁光窗口，第五束囚禁光窗口，第六束囚禁光窗口，回泵光窗口以及下反亥姆赫兹线圈；工作时，第四束囚禁光从第四束囚禁光窗口射入，第五束囚禁光从第五束囚禁光窗口射入，第六束囚禁光从第六束囚禁光窗口射入，回泵光从回泵光窗口射入，该模块在与上三束囚禁光模块紧固后，整体利用螺丝紧固的方式固定于下方的可移动型六维平台之上。
在一个可选的实施例中，所述可移动型六维平台模块实现对原子喷泉的参数具体调节如下：
由于上下囚禁光模块已固定于该模块之上，所以通过调节三维平移台可实现上下囚禁光模块整体在X，Y，Z三个方向的平移移动，具体而言，即通过控制X方向调节旋钮来调节上下囚禁光模块整体的X方向位置，进而实现原子团初始位置沿X轴方向移动；通过控制Y方向调节旋钮来调节上下囚禁光模块整体的Y方向位置，进而实现原子团初始位置沿Y轴方向移动；通过控制Z方向调节旋钮来调节上下囚禁光模块整体的Z方向位置，进而实现原子团初始位置沿Z轴方向移动。
调节转台Ωz旋钮可实现上下囚禁光模块整体沿着Z方向转动，从而实现原子团初始速度方向沿着XZ平面转动调节。
调节二维俯仰台Ωx、Ωy调节旋钮可分别实现上下囚禁光模块整体沿着YZ、XZ平面方向的转动,即通过调节Ωx调节旋钮实现上下囚禁光模块整体沿着X方向转动，进而实现原子团初始速度方向沿着YZ平面转动；通过调节Ωy调节旋钮实现上下囚禁光模块整体沿着Y方向转动，进而实现原子团初始速度方向沿着XZ平面转动。
在一个具体的实施例中，图1为本发明提供的对原子喷泉运动参数调节装置模块示意图；在图1中，100是上三束囚禁光模块；200是下三束囚禁光模块；300是可移动型六维平台模块；
具体地，上三束囚禁光模块100中：101是第一束囚禁光窗口；102是上反亥姆赫兹线圈固定位置；103是第一束囚禁光；104是第二束囚禁光；105是第二束囚禁光窗口；106是第三束囚禁光；107是第三束囚禁光窗口；108是第一固定面。
具体地，下三束囚禁光模块200中：201是第四束囚禁光窗口；202是第四束囚禁光；203是回泵光窗口；204是第五束囚禁光窗口；205是第五束囚禁光；206是下反亥姆赫兹线圈固定位置；207是第六束囚禁光窗口；208是第六束囚禁光；209是回泵光；210是第二固定面；211是第三固定面。
具体地，可移动型六维平台模块300中：301是YZ平面夹角(Ωx)调节旋钮；302是二维平移台；303是二维俯仰台；304是X方向调节旋钮；305是转台；306是转台(Ωz)调节旋钮；307是升降台；308是Z方向调节旋钮；309是XZ平面夹角(Ωy)调节旋钮；310是Y方向调节旋钮；311是第四固定面。
在本发明实施例中，首先将上三束囚禁光模块和下三束囚禁光模块适配上原子喷泉，并将两个模块的第一固定面108和第三固定面211利用螺丝紧固起来，再整体固定在可移动型六维平台模块的第四固定面311上。紧接着在装置上的六个窗口对应射入六束圆偏振激光，作为六束囚禁光，并在线圈位置固定一对反亥姆赫兹线圈。六束激光的功率相等，频率处于红失谐，且两两相对，具体地，第一束囚禁光103与第六束囚禁光208相对，第二束囚禁光104与第五束囚禁光205相对，第三束囚禁光106与第四束囚禁光202相对，相对的两束激光圆偏振方向相反。激光频率处于红失谐是为使原子受到阻尼力，功率相等是为使原子团受力平衡，囚禁在磁光阱中心，反亥姆赫兹线圈提供磁场梯度，产生回复力束缚住原子团。
在完成对原子团的冷却囚禁之后，需要对原子团的初始参数进行设置，接下来本发明将结合附图详细说明：
可移动型六维平台模块300用于调节原子团初始位置和速度方向，包括转台305、二维平移台302、升降台307、二维俯仰台303。其中，转台部分包括转台(Ωz)调节旋钮306；二维平移台部分包括X方向调节旋钮304、Y方向调节旋钮310；升降台部分包括Z方向调节旋钮308；二维俯仰台部分包括原子团速度方向与XZ平面夹角(Ωy)调节旋钮309、原子团速度方向与YZ平面夹角(Ωx)调节旋钮301。
具体地，通过设置上三束和下三束囚禁光不同的频率差来控制原子喷泉的初始速度大小；通过调节三维平台的X方向调节旋钮304、Y方向调节旋钮310以及Z方向调节旋钮308来设置上下囚禁光模块整体的X、Y、Z方向的位置，进而设置原子团的初始位置；通过调节转台的(Ωz)调节旋钮306、原子团速度方向与XZ平面夹角(Ωy)调节旋钮309以及原子团速度方向与YZ平面夹角(Ωx)调节旋钮301来设置上下囚禁光模块整体沿三维转动坐标轴的角度，进而设置原子团初始速度方向。
图2为本发明提供的对原子喷泉运动参数调节装置结构示意图；如图2所示，可移动型六维平台模块包括：转台305、平移台302、升降台307以及俯仰台303。其中，为了简化说明，图1中升降台307右侧的平面台和真空容器并未示出。图2中转台、平移台、升降台以及俯仰台的旋钮等零件，以及真空容器并未示出。
具体地，升降台307置于转台305上面，平移台302置于升降台307上面，俯仰台303置于平移台302上面，下三束囚禁光模块200固定于所述俯仰台303上面，转台305带动下三束囚禁光模块200转动，升降台307带动下三束囚禁光模块200升降，平移台302带动下三束囚禁光模块200平移，俯仰台303带动下三束囚禁光模200块转动沿着YZ、XZ平面方向的转动；下三束囚禁光模块200的运动带动所述磁光阱运动，以对原子喷泉运动的初始参数进行调节，所述初始参数包括：原子的初始位置和初始运动方向。
可选地，转台305转动时，其带动升降台307、平移台302、俯仰台303、上三束囚禁光模块100以及下三束囚禁光模块200同时转动，进而实现原子团初始速度方向沿着XY平面转动。
可选地，升降台307在Z轴方向升降时，其带动平移台302、俯仰台303、上三束囚禁光模块100以及下三束囚禁光模块200同时升降，进而实现原子团的初始位置沿着Z轴方向平移。
可选地，平移台302在X轴或Y轴方向平移时，其带动俯仰台303、上三束囚禁光模块100以及下三束囚禁光模块200同时平移，进而实现原子团的初始位置沿着X轴或Y轴方向平移。
可选地，俯仰台303沿着YZ平面或XZ平面转动时，其带动上三束囚禁光模块100和下三束囚禁光模块200同时转动，进而实现原子团的初始速度方向沿着YZ平面或XZ平面转动。
可选地，调节升降台307和平移台302以调节原子团在X轴、Y轴和Z轴方向的初始位置；
调节转台305和俯仰台303以调节原子团初始速度方向相对于XY平面、XZ平面和YZ平面的夹角。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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