用于地球物理用途特別是用來(lái)監(jiān)視油氣儲(chǔ)層的通過(guò)原子干涉測(cè)量法的絕對(duì)重力測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】一種絕對(duì)重力測(cè)量裝置(10)，其包括沿豎向按向下順序排列的：激光系統(tǒng)(13)、所述激光系統(tǒng)(13)的支承平面(16)、超真空系統(tǒng)(14)、后向反射鏡(21)及地震衰減系統(tǒng)(15)，所述地震衰減系統(tǒng)(15)包括上部板(1002)，其設(shè)有孔(1003)，所述后向反射鏡(21)借助于至少三個(gè)金屬葉片(70、71、72)而被保持懸置在孔的上方，所述三個(gè)金屬葉片(70、71、72)包括約束到所述板(1002)的周緣的第一端部、和位于所述孔(1003)上方且與所述后向反射鏡(21)相對(duì)應(yīng)的第二端部，所述金屬葉片(70、71、72)構(gòu)造成用以形成彈簧-反彈簧幾何形狀，以阻抑后向反射鏡(21)沿所述豎立方向的振動(dòng)，其中所述絕對(duì)重力測(cè)量裝置(10)還包括與所述地震衰減系統(tǒng)(15)成一體、用來(lái)調(diào)平所述后向反射鏡(21)的裝置，以及在所述后向反射鏡(21)與所述上部板(1002)之間在與豎立方向正交的平面中起作用的徑向約束裝置。
【專利說(shuō)明】用于地球物理用途特別是用來(lái)監(jiān)視油氣儲(chǔ)層的通過(guò)原子干涉測(cè)量法的絕對(duì)重力測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過(guò)原子干涉測(cè)量法的絕對(duì)重力測(cè)量裝置，該絕對(duì)重力測(cè)量裝置特別適于現(xiàn)場(chǎng)用途，并且有益地用在地球物理領(lǐng)域中。
【背景技術(shù)】
[0002]由于重力加速度的隨時(shí)間變化的測(cè)量，重力測(cè)定當(dāng)今也成功地應(yīng)用在石油勘探中，以及應(yīng)用在與地質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域、水文學(xué)或地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程相關(guān)的現(xiàn)象的研究中。
[0003]事實(shí)上已知的是，地球的重力場(chǎng)隨時(shí)間和空間而變化。
[0004]更具體地說(shuō)，這種力場(chǎng):隨著所考慮的地方而變化，因?yàn)樗Q于緯度、高度及下層土的成分；并且是隨時(shí)間變化的，因力它受各種現(xiàn)象影響。在這些現(xiàn)象中，值得列舉的是:地球動(dòng)力學(xué)或地殼構(gòu)造現(xiàn)象；由太陽(yáng)系的物體施加的吸引力；海洋質(zhì)量的吸引力；地球轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的循環(huán)和瞬時(shí)變化以及大氣壓力的變化。
[0005]這意味著，重力加速度g的測(cè)量和因此它相對(duì)于時(shí)間和空間的變化的研究，可以提供關(guān)于與下層土相關(guān)的各種現(xiàn)象的非常準(zhǔn)確的指示。
[0006]為了這些目的，考慮到待測(cè)量的信號(hào)的幅值常常低于20micoGal，有必要進(jìn)行高精
度測(cè)量。
[0007]正是由于這個(gè)原因，在過(guò)去幾年，已經(jīng)進(jìn)行了一些生產(chǎn)用于重力測(cè)量的裝置或重力計(jì)的嘗試，這些裝置或重力計(jì)適于提供愈來(lái)愈準(zhǔn)確和精確的測(cè)量。
[0008]然而，有必要指出的是，要求的準(zhǔn)確度根據(jù)待分析的現(xiàn)象而變化。
[0009]為了例如深地質(zhì)層的研究，足夠的是，使用能夠提供測(cè)量的重力計(jì)，這些測(cè)量具有范圍從10_6至10_8的靈敏度(Λ g/g)，而為了地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程、火山magma的運(yùn)動(dòng)、含水層的變化及重力潮汐的分析，測(cè)量必須具有范圍從10_7至10_9的靈敏度。
[0010]當(dāng)前使用的絕對(duì)重力測(cè)量裝置基于在七十年代達(dá)到其成熟的技術(shù)。
[0011]更具體地說(shuō)，已知的各種重力計(jì)中的大多數(shù)都是“自由降落”型的，并且借助于光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行重力加速度(自由降落的物體經(jīng)受該重力加速度)的測(cè)量。
[0012]由這種類型的重力計(jì)可達(dá)到的靈敏度是約10_8，并且主要通過(guò)干涉儀的降落物體和臂的同時(shí)垂直度的具體要求、以及由對(duì)于宏觀物體的磁性和靜電影響的有限知識(shí)而被限制。
[0013]此外，在一次測(cè)量與另一次測(cè)量之間的長(zhǎng)時(shí)段使這種類型的重力計(jì)不適于在相同環(huán)境條件下進(jìn)行一系列測(cè)量。
[0014]新一代儀器由超導(dǎo)重力計(jì)代表，其中，鈮球體的重量被由超導(dǎo)線圈的電流產(chǎn)生的力平衡。
[0015]由將球體保持在初始位置所必需的電流變化的測(cè)量，有可能獲得重力加速度的變化的估計(jì)。
[0016]基于這種原理的重力計(jì)具有高精度，但它們是相對(duì)式測(cè)量?jī)x器，因?yàn)樗鼈儾惶峁┲亓铀俣鹊闹苯訙y(cè)量，并且也要求基準(zhǔn)球體的重量相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)。
[0017]此外，也在超導(dǎo)重力測(cè)量裝置中，加速質(zhì)量是宏觀對(duì)象，并因此除由熱漂移造成的限制和由低溫設(shè)備的必要支承造成的可運(yùn)輸性限制之外，測(cè)量受到由磁性和靜電影響的不足知識(shí)造成的限制。
[0018]為了克服光學(xué)干涉重力計(jì)的精度限制和由磁性和靜電影響的有限知識(shí)造成的缺陷，提供重力加速度的絕對(duì)測(cè)量，當(dāng)前使用通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置。
[0019]原子干涉儀已被證明是極為準(zhǔn)確的加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，并且在應(yīng)用領(lǐng)域中，在重力加速度的測(cè)量方面相對(duì)于光學(xué)干涉儀已經(jīng)具有可比性。
[0020]這取決于如下事實(shí):在基于關(guān)于中性原子的物質(zhì)波的干涉測(cè)量的重力計(jì)中，加速元件是原子本身，并且沒有在運(yùn)動(dòng)中的宏觀元件；由磁性和電氣影響造成的系統(tǒng)性誤差因此可由原子結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確知識(shí)控制。
[0021]在通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于，沒有儀器漂移，這因此容許沒有外部調(diào)整干預(yù)的長(zhǎng)作用時(shí)段、和用來(lái)提高靈敏度在長(zhǎng)時(shí)間段上的測(cè)量積分，這潛在地可達(dá)到等于約10—11的值。
[0022]在通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中，原子的樣本使用壓力冷卻，該壓力從與原子轉(zhuǎn)變幾乎諧振的光輻射導(dǎo)出。
[0023]冷卻或減慢過(guò)程將原子帶到這樣低的溫度，(幾微K)，從而物質(zhì)(具體地說(shuō)原子)的波動(dòng)性質(zhì)成為顯著的，并且對(duì)應(yīng)de Broglie波長(zhǎng)與在原子中的距離是可比較的。
[0024]這容許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，物質(zhì)波像在光學(xué)干涉測(cè)量中的光波那樣干涉。
[0025]因此可確認(rèn)，不像光學(xué)干涉測(cè)量重力計(jì)，在通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中，不測(cè)量自由降落物體的加速度，而是測(cè)量多個(gè)原子的加速度。
[0026]這樣的多個(gè)原子首先借助于對(duì)于某些頻率共形的多個(gè)激光帶，而被冷卻和俘獲在強(qiáng)制真空腔室中，這些激光帶能夠形成三維磁-光捕獲(3D-M0T)。
[0027]在俘獲之后，多個(gè)原子被釋放，并且成為干涉測(cè)量工序的對(duì)象。
[0028]更具體地說(shuō)，在干涉測(cè)量工序期間，將原子分離成兩個(gè)原子帶，這兩個(gè)原子帶在因循不同路徑之后重新組合。
[0029]不像光學(xué)干涉測(cè)量，在原子干涉測(cè)量中，原子帶的分離器和偏轉(zhuǎn)器通過(guò)一系列激光脈沖而產(chǎn)生，這些激光脈沖按時(shí)間T的間隔發(fā)射。
[0030]在以上重力計(jì)中的Raman干涉測(cè)量的使用當(dāng)今是已知的，這通過(guò)兩個(gè)相反地傳播的激光帶的相互作用而產(chǎn)生，這兩個(gè)相反地傳播的激光帶的頻率差與在考慮的原子種類的基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)。
[0031]在這方面，應(yīng)該注意，最好適于在原子干涉測(cè)量重力計(jì)中的用途的原子種類是堿金屬，并且特別是銫和銣，銫和銣具有一對(duì)能級(jí)，這對(duì)能級(jí)具有非常長(zhǎng)的平均壽命，在這對(duì)能級(jí)之間可誘導(dǎo)Raman轉(zhuǎn)換，并且這對(duì)能級(jí)為了冷卻和激光俘獲的目的是容易汽化的和可
管理的。
[0032]在干涉測(cè)量工序之后，進(jìn)行探測(cè)步驟，通過(guò)該探測(cè)步驟，可以估計(jì)多個(gè)原子經(jīng)受的加速度。
[0033]有必要指出的是，在干涉測(cè)量工序之后，事實(shí)上，原子在基本狀態(tài)的兩個(gè)上方超精細(xì)能級(jí)上。在與重新組合的原子帶相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)波之間的階躍移動(dòng)項(xiàng)ΛΦ可由在所述兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)上存在的原子的數(shù)量之間的比值獲得，該比值與乘積gT2成比例。因此可能的是，由在探測(cè)步驟期間所述相移的測(cè)量值，獲得重力加速度的測(cè)量值。
[0034]進(jìn)行在分離區(qū)域中根據(jù)同時(shí)探測(cè)的探測(cè)步驟、和分離區(qū)域順序探測(cè)，在當(dāng)前是已知的。
[0035]更具體地說(shuō)，根據(jù)分離區(qū)域順序探測(cè)，多個(gè)原子在自由降落中按順序跨過(guò)兩個(gè)區(qū)域，其中，兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的原子通過(guò)探測(cè)帶被選擇性地激勵(lì)，這些探測(cè)帶刺激熒光發(fā)射，該熒光發(fā)射的強(qiáng)度與在兩個(gè)能級(jí)中存在的原子的數(shù)量成比例。
[0036]相反，在分離區(qū)域中的同時(shí)探測(cè)要求推進(jìn)激光帶的使用，以便空間地分離原子帶，這些原子帶與在上方兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)和探測(cè)帶中的原子相對(duì)應(yīng)，這些探測(cè)帶刺激熒光發(fā)射，該熒光發(fā)射的強(qiáng)度與在兩個(gè)帶中存在的原子的數(shù)量成比例。
[0037]在至此述及的步驟中涉及的全部激光帶由激光系統(tǒng)產(chǎn)生，激光系統(tǒng)的復(fù)雜性一般隨所需的準(zhǔn)確度要素而增大。
[0038]在當(dāng)前原子干涉測(cè)量重力計(jì)中實(shí)施的激光系統(tǒng)一般包括至少三個(gè)激光源，這些激光源與多個(gè)反射鏡、調(diào)制解調(diào)器、光學(xué)纖維、及相關(guān)光帶的同步和/或同頻連接裝置相關(guān)聯(lián)。
[0039]隨著在激光系統(tǒng)中存在的光源數(shù)量的增大，它們和相關(guān)重力計(jì)的障礙顯著增加，使得特別是不可能運(yùn)動(dòng)它。
[0040]這樣的復(fù)雜激光系統(tǒng)事實(shí)上一般在極大和極重的光學(xué)臺(tái)架上實(shí)施，這些光學(xué)臺(tái)架不能容易地運(yùn)動(dòng)以便在不同地方進(jìn)行多次測(cè)量。
[0041]也應(yīng)該指出，進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間間隔越大，原子干涉測(cè)量重力計(jì)的精度將越高；這樣的時(shí)間間隔顯然取決于由在自由降落中的原子覆蓋的空間。
[0042]此外，如果可以對(duì)冷卻原子在它們從三維磁-光捕獲釋放的瞬時(shí)的位置和速度加以控制，則會(huì)增進(jìn)精度。
[0043]為了增大用來(lái)對(duì)原子樣本的測(cè)量有用的時(shí)間間隔，在原子干涉測(cè)量重力計(jì)中當(dāng)前實(shí)施叫做原子噴泉的釋放技術(shù)。
[0044]根據(jù)這種釋放技術(shù)，操縱激光系統(tǒng)，從而在磁-光捕獲中的俘獲的結(jié)束處，磁場(chǎng)消除，并且由捕獲的激光帶造成的輻射壓力因而是不平衡的；因此，冷卻原子在豎立方向上被向上推進(jìn)，形成原子噴泉。
[0045]這種噴泉釋放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是將對(duì)進(jìn)行干涉測(cè)量工序和探測(cè)有用的時(shí)間間隔加倍，但它不容許精確地控制原子的位置和初始速度。
[0046]此外，有必要指出的是，噴泉釋放技術(shù)要求具有相當(dāng)大尺寸的超真空系統(tǒng)，因?yàn)樗仨毎ㄔ訕颖颈仨氁蜓恼麄€(gè)路徑。
[0047]當(dāng)前使用的原子干涉測(cè)量重力計(jì)因此是具有高精度的大尺寸實(shí)驗(yàn)室測(cè)量系統(tǒng)。
[0048]從上方向下開始，因循由重力限定的豎立方向，本發(fā)明的絕對(duì)重力測(cè)量裝置-也如已知裝置那樣，一般包括:激光系統(tǒng)，用于產(chǎn)生激光帶；支承平面，用于激光系統(tǒng)；超真空，用于激光帶的通過(guò)；及后向反射鏡，位于超真空系統(tǒng)的基座處。
[0049]為了保證高測(cè)量精度，必要的是，將絕對(duì)重力測(cè)量裝置沿其豎向軸線的振動(dòng)(特別是沿后向反射鏡的豎立方向的振動(dòng))減小到最小，并且也保持絕對(duì)重力測(cè)量裝置的上方元件盡可能沿所述豎立方向?qū)?zhǔn)。[0050]為此，包括后向反射鏡的彈簧-反-彈簧懸置裝置的類型的地震衰減系統(tǒng)是已知的。
[0051]然而，當(dāng)前已知的全部地震衰減系統(tǒng)具有的尺寸使得它們不能被集成在根據(jù)本發(fā)明的具有低障礙的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0052]本發(fā)明的目的因此是，提供一種絕對(duì)重力測(cè)量裝置，該絕對(duì)重力測(cè)量裝置設(shè)有對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言可替代的地震衰減系統(tǒng)，該絕對(duì)重力測(cè)量裝置一方面具有減少的障礙，并且另一方面將沿后向反射鏡的豎立方向的振動(dòng)減小到最小，保持絕對(duì)重力測(cè)量裝置的元件盡可能沿豎立方向?qū)?zhǔn)。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的這些目的由提供一種如權(quán)利要求所述的、包括地震衰減系統(tǒng)的、通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置而實(shí)現(xiàn)。
[0054]本發(fā)明的進(jìn)一步特性在從屬權(quán)利要求中述及。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0055]參照所附的示意圖，根據(jù)本發(fā)明的絕對(duì)重力測(cè)量裝置的特征和優(yōu)點(diǎn)由如下說(shuō)明性和非限制性描述將更為顯明，在這些示意圖中:
[0056]圖1是根據(jù)本發(fā)明的、用于地球物理用途的、通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置的示意立體圖；
[0057]圖2是測(cè)量頭的示意立體圖，該測(cè)量頭包括在圖1的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中；
[0058]圖3是銣能量圖；
[0059]圖4a是激光系統(tǒng)的示意圖，該激光系統(tǒng)包括在圖2的測(cè)量頭中；
[0060]圖4b是用于產(chǎn)生Raman帶的裝置的示意圖，該裝置包括在圖4a的激光系統(tǒng)中；
[0061]圖5a是超真空系統(tǒng)的示意立體圖，該超真空系統(tǒng)包括在圖2的測(cè)量頭中；
[0062]圖5b是初級(jí)腔室的細(xì)節(jié)的示意立體圖，該初級(jí)腔室包括在圖5a的系統(tǒng)中；
[0063]圖6a和6b是圖5a的超真空系統(tǒng)的兩個(gè)升聞如視和側(cè)視圖；
[0064]圖7a、7b及7c分別是在俘獲步驟期間超真空系統(tǒng)的示意前視圖、側(cè)視圖及俯視圖；
[0065]圖8是地震衰減系統(tǒng)的示意立體圖,該地震衰減系統(tǒng)包括在圖2的測(cè)量頭中；
[0066]圖9a和9b是圖4a的激光系統(tǒng)的操縱方法的兩個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)方塊圖；
[0067]圖10是圖8的地震衰減系統(tǒng)的俯視示意立體圖，該地震衰減系統(tǒng)安裝在根據(jù)本發(fā)明的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中；而
[0068]圖11是圖8的地震衰減系統(tǒng)的仰視示意立體圖，該地震衰減系統(tǒng)安裝在根據(jù)本發(fā)明的絕對(duì)重力測(cè)量裝置中。
【具體實(shí)施方式】
[0069]參照附圖，用于地球物理用途的通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置作為整體用10示出和指代。
[0070]用于地球物理用途的通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置10包括測(cè)量頭11和控制和供電導(dǎo)軌12，它們借助于電線或可能光學(xué)纖維(未示出)彼此連接。
[0071]通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置10的測(cè)量頭11包括超真空系統(tǒng)14、以及地震衰減系統(tǒng)15，該超真空系統(tǒng)14用來(lái)俘獲冷卻原子樣本和它們的自由降落，該地震衰減系統(tǒng)15用來(lái)控制振動(dòng)。
[0072]通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置10還包括激光系統(tǒng)13、和電子控制系統(tǒng)(未示出)，該激光系統(tǒng)13用來(lái)產(chǎn)生用于原子的冷卻、俘獲、操縱及探測(cè)的帶，該電子控制系統(tǒng)可包括在測(cè)量頭11中，或者包括在控制和供電導(dǎo)軌12中。
[0073]在激光系統(tǒng)13包括在測(cè)量頭11中的情況下，用來(lái)運(yùn)送由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生的帶的光學(xué)纖維還包括在測(cè)量頭11中，并且導(dǎo)軌12因此僅借助于電線連接到測(cè)量頭11上。
[0074]在所示的優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量頭11包括豎向展開框架17，在該豎向展開框架17的上部端部處固定有支承平面16。
[0075]包含激光系統(tǒng)13的金屬殼體固定在上部支承平面16上。
[0076]超真空系統(tǒng)14在上部支承平面16下面，借助于嚙合和支承裝置19固定到框架17上，該超真空系統(tǒng)14包圍在磁屏蔽殼體20中。
[0077]地震衰減系統(tǒng)15固定在框架17的下部端部處。
[0078]所述地震裳減系統(tǒng)15支承后向反射鏡21,該后向反射鏡21用來(lái)反射干涉測(cè)量帶。
[0079]測(cè)量頭11有益地定位在恒溫調(diào)節(jié)框架22或金屬殼體22內(nèi)部，溫度傳感器和電阻與該恒溫調(diào)節(jié)框架22或金屬殼體22相聯(lián)，用來(lái)補(bǔ)償任何可能的溫度下降。
[0080]按這種方式，可以主動(dòng)控制超真空系統(tǒng)14和尤其是激光系統(tǒng)13的溫度；具體地說(shuō)，減小由光學(xué)纖維(這些光學(xué)纖維用來(lái)將由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生的多個(gè)帶傳輸?shù)匠婵障到y(tǒng)14)的溫度波動(dòng)造成的影響。
[0081]更具體地說(shuō)，激光系統(tǒng)13能夠產(chǎn)生和控制:用于原子樣本的冷卻和俘獲的帶；光學(xué)重新泵激帶；Raman干涉測(cè)量帶；及推進(jìn)和探測(cè)帶。
[0082]這些激光帶適當(dāng)?shù)嘏c各種頻率共形，這些各種頻率基于考慮的原子種類的諧振光學(xué)頻率和待施加的功能而確定。
[0083]有必要指出的是，在絕對(duì)重力測(cè)量裝置10中使用的原子種類的特征在于基本能量狀態(tài)和激勵(lì)能量狀態(tài)；這兩個(gè)能量狀態(tài)中的每一個(gè)可被進(jìn)一步劃分成多個(gè)超精細(xì)能級(jí)。
[0084]在根據(jù)本發(fā)明的、用于地球物理用途的、通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置10中使用的原子種類優(yōu)選地是銣87，該銣87如可在圖3中觀察到的那樣，具有基本能量狀態(tài)52S1/2和激勵(lì)能級(jí)52P3/2，它們的頻率相差384.2THz、或780.2nm。
[0085]此外，這兩個(gè)能級(jí)的每一個(gè)包括多個(gè)超精細(xì)子能級(jí)；具體地說(shuō)，基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)F1和F2的頻率相差6.8GHz，如在圖3中清楚看到的那樣。
[0086]由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生的激光帶近似與頻率共形，該頻率與在基本狀態(tài)與激勵(lì)狀態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)，即在銣87的情況下在780.2nm處。
[0087]具體地說(shuō)，依據(jù)帶的功能，將這些帶調(diào)諧到頻率，這些頻率與在考慮的原子種類的基本狀態(tài)的超精細(xì)能級(jí)和激勵(lì)狀態(tài)的超精細(xì)能級(jí)之間的能量轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)。
[0088]更具體地說(shuō)，參照在圖3中所示的銣87的能量圖，原子樣本的冷卻和俘獲、以及推進(jìn)借助于激光帶發(fā)生，這些激光帶具有頻率，該頻率與在基本狀態(tài)52S1/2的第二超精細(xì)能級(jí)F2與激勵(lì)能級(jí)52P3/2的第三超精細(xì)能級(jí)F' 3之間的能量轉(zhuǎn)換的頻率相等。[0089]由于存在如下非零概率:除冷卻原子之外一些原子進(jìn)行其它轉(zhuǎn)換，所以適當(dāng)?shù)氖牵M(jìn)行重新泵激，以防止所述原子離開冷卻本身。
[0090]對(duì)于在基本狀態(tài)52S1/2的第一超精細(xì)能級(jí)F1與激勵(lì)能級(jí)52P3/2的第二超精細(xì)能級(jí)F' 2之間的能量轉(zhuǎn)換，設(shè)置重新泵激帶。
[0091 ] 對(duì)于在虛擬能量級(jí)與基本狀態(tài)52S1/2的第一超精細(xì)能級(jí)F1和第二超精細(xì)能級(jí)F2之間的兩種能量轉(zhuǎn)換，設(shè)置實(shí)現(xiàn)Raman干涉測(cè)量工序的帶。在銣87的情況下，干涉測(cè)量帶因此調(diào)諧到相差約6.SGHz的兩個(gè)頻率。
[0092]對(duì)于在基本狀態(tài)52S1/2的第二超精細(xì)能級(jí)F2與激勵(lì)能級(jí)52P3/2的第三超精細(xì)能級(jí)F' 3之間的能量轉(zhuǎn)換，設(shè)置探測(cè)帶。
[0093]根據(jù)本發(fā)明，以上多個(gè)激光帶由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生，該激光系統(tǒng)13僅包括兩個(gè)激光源23、24，在考慮銣87原子的樣本的情況下，這兩個(gè)激光源23、24優(yōu)選地調(diào)諧到約780.2nm。激光源的類型顯然基于對(duì)頻譜純度、共形性及光學(xué)功率的要求而選擇，該頻譜純度、共形性及光學(xué)功率必須滿足來(lái)自相同源的各激光帶。
[0094]具體地說(shuō)，激光源必須具有相對(duì)于涉及的光學(xué)轉(zhuǎn)換而言較窄的發(fā)射帶。
[0095]這樣的要求極其重要，特別是對(duì)于產(chǎn)生用于Raman干涉測(cè)量和探測(cè)的帶的源，因?yàn)檫@些帶的頻率噪聲在探測(cè)期間成為干涉儀的階躍噪聲和測(cè)量噪聲。
[0096]因此必須使用在約IMHz的能級(jí)處穩(wěn)定的激光源。
[0097]有鑒于此，第一源23有益地是外部-空腔激光二極管或E⑶L，該外部-空腔激光二極管或ECDL可按高精度被穩(wěn)定化，并且具有非常窄的發(fā)射帶；更具體地說(shuō)，這種外部-空腔激光二極管的絕對(duì)頻率fref包括在[384227935.0MHz，384227935.5MHz]的頻率范圍內(nèi)。
[0098]第二源24優(yōu)選地是分布式反饋激光器或DFB，該分布式反饋激光器或DFB的特征在于緊湊尺寸，但相對(duì)于外部-空腔激光二極管具有較大帶發(fā)射寬度；分布式反饋激光器的絕對(duì)頻率f；ep包括在[384234682MHz，384234684MHz]的頻率范圍內(nèi)。
[0099]在兩種類型的激光源之間的重要差別是外部-空腔激光二極管相對(duì)于分布式反饋激光器具有較大堅(jiān)固性。外部-空腔激光二極管事實(shí)上更耐受作為機(jī)械、溫度或電激勵(lì)的結(jié)果的模式跳躍；模式跳躍導(dǎo)致激光器的頻率連接的損失；頻率連接操作因此關(guān)于分布式反饋激光器總體上復(fù)雜性較小，因而作用在輸入電流上(一種可容易自動(dòng)化的操作)就足夠了。相反，對(duì)于外部-空腔激光二極管，將必須作用在諸如溫度、電流及壓電電壓之類的三個(gè)參數(shù)上。
[0100]用于冷卻、俘獲、干涉測(cè)量工序及探測(cè)的帶從第一源23取得，這些帶的頻率按IkHz量級(jí)的精度相差受控量；重新泵激帶從第二源24取得。
[0101]激光系統(tǒng)13包括第一模塊25和第二模塊26，在其中定位兩個(gè)源23、24和用來(lái)產(chǎn)生以上激光帶必需的全部裝置，像例如反射鏡、偏振鏡、透鏡、光電二極管等等。
[0102]應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)13的構(gòu)造隨在模塊25和26內(nèi)部源23、24的定位的變化而變化，但不超越本發(fā)明的范圍。
[0103]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將兩個(gè)源23、24放置在第一模塊25內(nèi)部。
[0104]在這種情況下，第一模塊25能夠產(chǎn)生三維磁-光俘獲帶、推進(jìn)帶、探測(cè)帶及重新泵激帶、以及基準(zhǔn)帶，用來(lái)產(chǎn)生Raman干涉測(cè)量激光帶。
[0105]更具體地說(shuō)，第一源23有益地與頻率連接裝置27相聯(lián)，該頻率連接裝置27能夠?qū)l(fā)射的第一帶30穩(wěn)定在一頻率處，該頻率相對(duì)于考慮的原子種類的能量轉(zhuǎn)換的特征頻率移動(dòng)數(shù)百M(fèi)Hz。
[0106]頻率連接裝置27優(yōu)選地能夠?qū)嵤┱{(diào)制轉(zhuǎn)移光譜(MTS)技術(shù)。根據(jù)這種技術(shù)，由第一源23發(fā)射的帶的一部分分離成兩個(gè)帶:泵帶和探針帶。泵帶通過(guò)電-光調(diào)制晶體或EOM(未示出)，該電-光調(diào)制晶體或EOM包括在頻率連接裝置27中。這種電-光調(diào)制晶體能夠產(chǎn)生純階躍調(diào)制，而沒有振幅調(diào)制。調(diào)制頻率是在考慮的原子種類的基本能量狀態(tài)和激勵(lì)能量狀態(tài)之間的光學(xué)轉(zhuǎn)換的自然寬度的量級(jí)中；在所述原子種類是銣87的情況下，飽和頻率因此是約6MHz。電-光調(diào)制晶體與具有銣87蒸汽的單元(未示出)相聯(lián)，在電-光調(diào)制之后，泵帶注入到該單元中。
[0107]需要強(qiáng)調(diào)的是，電-光調(diào)制晶體容許純階躍調(diào)制，而沒有AM調(diào)制，因此具有誤差信號(hào)的偏移的高重新注入度。
[0108]在另一方面,探針帶通過(guò)聲-光調(diào)制晶體(未示出),該聲-光調(diào)制晶體包括在頻率連接裝置27中，該聲-光調(diào)制晶體產(chǎn)生純頻率變換，該純頻率變換具有優(yōu)選地等于360MHz的調(diào)制頻率。在調(diào)制之后，這樣的探針帶相對(duì)于在銣87蒸汽單元內(nèi)部的泵帶在相反方向上疊加，以便形成飽和光譜方案；它然后在快速光電二極管(未示出)上發(fā)送。光電二極管信號(hào)與EOM調(diào)制信號(hào)按四分之一周期解調(diào)。
[0109]應(yīng)該指出，飽和光譜保證窄基準(zhǔn)線，在考慮的原子種類的基本能量狀態(tài)和激勵(lì)能量狀態(tài)之間的原子轉(zhuǎn)換的自然寬度的量級(jí)中；關(guān)于在1，000量級(jí)中的S/R比值，因此可能的是，達(dá)到比IOkHz好的頻率精度。此外，電-光調(diào)制晶體的高調(diào)制頻率容許在探測(cè)步驟期間噪聲Ι/f被拒絕。用聲-光調(diào)制晶體獲得的在兩個(gè)泵和探針帶之間的頻移，減小在兩個(gè)帶之間的干涉。
[0110]第一源23有益地與第二帶產(chǎn)生裝置29相聯(lián)，該第二帶產(chǎn)生裝置29包括多個(gè)透鏡和反射鏡(未示出)、多個(gè)聲-光調(diào)制器(未示出)、及多個(gè)帶劃分器(未示出)，這些帶劃分器布置成，產(chǎn)生探測(cè)帶31、用來(lái)產(chǎn)生三維磁-光捕獲的帶32、及推進(jìn)帶33，這些帶直接注入到多根光學(xué)纖維(未示出)中，這些光學(xué)纖維適于將它們傳輸?shù)匠婵障到y(tǒng)14中。
[0111]這樣的第二帶產(chǎn)生裝置29也產(chǎn)生基準(zhǔn)帶36，該基準(zhǔn)帶36用來(lái)產(chǎn)生Raman干涉測(cè)量激光帶。
[0112]第一源23優(yōu)選地也與第一光學(xué)放大器28相聯(lián),該第一光學(xué)放大器28容許獲得大功率激光帶，該大功率激光帶為保證對(duì)于絕對(duì)重力測(cè)量裝置10的起作用必需的多個(gè)帶的產(chǎn)生是不可缺少的。
[0113]第一光學(xué)放大器28優(yōu)選地是錐形類型的，因?yàn)樗┙o較大堅(jiān)固性和較大光學(xué)功率。這樣的第一光學(xué)放大器28位于第一源23與第二帶產(chǎn)生裝置29之間。
[0114]第二源24另一方面與階躍連接裝置34相聯(lián)，由以上第一光學(xué)放大器28放大的第一帶30的部分也注入到該階躍連接裝置34中。
[0115]按這種方式，由第二源24發(fā)射的第二帶35導(dǎo)致，同步連接到由第一源23發(fā)射的第一帶30上，并且產(chǎn)生重新泵激帶37 ；因此可確認(rèn)，當(dāng)它連接到第一源23上時(shí)，第二源24發(fā)射重新泵激帶37。
[0116]應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，重新泵激帶37的部分有益地與第二帶產(chǎn)生裝置29相聯(lián)接從而合作，特別是產(chǎn)生:用來(lái)產(chǎn)生三維磁-光捕獲的帶32 ;和探測(cè)帶31。[0117]第一模塊25通過(guò)注入進(jìn)入基準(zhǔn)帶36和重新泵激帶37的第二模塊26，與所述第二模塊26相聯(lián)接。
[0118]第二模塊26有益地包括第二光學(xué)放大器38，該第二光學(xué)放大器38優(yōu)選地是錐形類型的，來(lái)自第一模塊25的基準(zhǔn)帶36注入該第二光學(xué)放大器38中。
[0119]所述第二光學(xué)放大器38與Raman帶產(chǎn)生裝置39相聯(lián)接,該Raman帶產(chǎn)生裝置39能夠從基準(zhǔn)帶36單獨(dú)地開始,產(chǎn)生兩個(gè)離開的干涉測(cè)量Raman帶41,這兩個(gè)帶41有益地疊加；所述疊加Raman帶41注入到纖維(未示出)中，用來(lái)傳輸?shù)匠婵障到y(tǒng)14。
[0120]可選擇地,基準(zhǔn)帶36直接注入到Raman帶產(chǎn)生裝置39中。
[0121]具體地說(shuō)，如可在圖4b中觀察到的那樣，所述Raman帶產(chǎn)生裝置39包括帶分離裝置60，該帶分離裝置60適于將優(yōu)選放大的基準(zhǔn)帶36分離成兩個(gè)第三帶47和48。
[0122]在所述分離裝置的下游，設(shè)有多個(gè)聚焦透鏡和光學(xué)反射鏡(未示出)，這些聚焦透鏡和光學(xué)反射鏡適于用來(lái)將兩個(gè)第三帶47和48注入到兩個(gè)聲-光調(diào)制器(AOM) 43和44中，這兩個(gè)聲-光調(diào)制器(AOM) 43和44能夠改變進(jìn)入的輻射的頻率。
[0123]具體地說(shuō)，第一聲-光調(diào)制器43和第二聲-光調(diào)制器44能夠分別將第一第三帶47向高頻和將第二第三帶48向低頻，移動(dòng)與在考慮的原子種類的基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的頻率差的約四分之一相等的量。
[0124]在原子種類是銣87的情況下，兩個(gè)聲-光調(diào)制器43和44能夠?qū)⑼◣У念l率移動(dòng)約 1.7GHz。
[0125]兩個(gè)聲-光調(diào)制器43和44也與反射裝置50相聯(lián)，該反射裝置50適于用來(lái)有益于兩個(gè)第三帶47和48的部分通過(guò)相同調(diào)制器43和44的雙重通過(guò)。
[0126]結(jié)果，將從所述雙重通過(guò)取得的兩個(gè)帶調(diào)諧到頻率，這些頻率相差與在考慮的原子種類的基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的能量轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)的量，并且這兩個(gè)帶因此可被定義為Raman帶51、52。
[0127]兩個(gè)Raman帶51、52有益地疊加，并且注入到第三光學(xué)放大器46中，該第三光學(xué)放大器46優(yōu)選地是錐形類型的。
[0128]所述第三光學(xué)放大器46與第三聲-光調(diào)制器45相聯(lián)接，該第三聲-光調(diào)制器45適于移動(dòng)兩個(gè)疊加Raman帶41的頻率。
[0129]此外，由于兩個(gè)疊加Raman帶41必須用脈沖致動(dòng),這些脈沖持續(xù)數(shù)十微秒,具有在0.1%內(nèi)的可重復(fù)持續(xù)，所以第三聲-光調(diào)制器45能夠在比微秒小的時(shí)間間隔中控制這樣的帶的強(qiáng)度。
[0130]離開所述第三聲-光調(diào)制器45的兩個(gè)疊加Raman帶41注入到光學(xué)纖維(未示出)中，以傳送到超真空系統(tǒng)14的進(jìn)口。
[0131]有必要指出的是，在光學(xué)纖維的上游將帶組合的選擇的目的在于，盡可能大地限制階躍噪聲，該階躍噪聲從獨(dú)立光學(xué)路徑的波動(dòng)取得。
[0132]如在圖4a中可看到的那樣，Raman帶產(chǎn)生裝置39也有益地與冷卻帶產(chǎn)生裝置40相聯(lián)，兩個(gè)第三帶47、48的殘余部分54在通過(guò)聲-光調(diào)制器43、44之后，注入到該冷卻帶產(chǎn)生裝置40中。
[0133]這些冷卻帶產(chǎn)生裝置40另外與從第一模塊25取得的重新泵激帶37相聯(lián)接，并且能夠產(chǎn)生三個(gè)帶53，這三個(gè)帶53用來(lái)產(chǎn)生兩維磁-光捕獲，適于冷卻和減慢在絕對(duì)重力測(cè)量裝置10中考慮的原子樣本。
[0134]由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生的全部帶都借助于多根光學(xué)纖維傳輸?shù)匠婵障到y(tǒng)14。
[0135]也強(qiáng)調(diào)的是，Raman帶產(chǎn)生裝置39、第二帶產(chǎn)生裝置29及冷卻帶產(chǎn)生裝置還包括多個(gè)機(jī)械活門(未示出)，這些機(jī)械活門當(dāng)要求時(shí)能夠?qū)?br> [0136]超真空系統(tǒng)14包括初級(jí)腔室61、次級(jí)腔室63、還包括最后圓柱形導(dǎo)管62，該初級(jí)腔室61優(yōu)選地是八邊形的，該次級(jí)腔室63優(yōu)選地是立方體，并且定位在初級(jí)腔室下面，該圓柱形導(dǎo)管62連接兩個(gè)腔室61和63。
[0137]初級(jí)腔室61和次級(jí)腔室63都包括多個(gè)光學(xué)窗口 64，這些光學(xué)窗口 64用來(lái)注入對(duì)于絕對(duì)重力測(cè)量裝置10的起作用必需的激光帶。
[0138]超真空系統(tǒng)14優(yōu)選地由鈦制成，而光學(xué)窗口優(yōu)選地由BK7制成，并且借助于擴(kuò)散粘結(jié)技術(shù)焊接到鈦本體上。
[0139]應(yīng)該注意，鈦由于其磁性性質(zhì)和對(duì)于高溫(該高溫對(duì)于產(chǎn)生真空腔室是必需的)的耐受性、以及其熱膨脹系數(shù)與BK7的熱膨脹系數(shù)的一致性，是用于這種類型的用途的特別適當(dāng)金屬。
[0140]在超真空系統(tǒng)14中的壓力由泵激裝置(未示出)保持在超真空水平下，以便限制在測(cè)量中涉及的原子與在室溫下的其它原子的碰撞。這些泵激裝置容納在專用通過(guò)座65中，這些專用通過(guò)座65在初級(jí)腔室61和次級(jí)腔室63的表面上獲得。
[0141]在超真空系統(tǒng)14中，由于由激光系統(tǒng)13產(chǎn)生的帶的作用，發(fā)生冷卻原子的俘獲，發(fā)生Raman干涉測(cè)量工序和探測(cè)。
[0142]更具體地說(shuō)，原子樣本的冷卻由于磁場(chǎng)和由于三個(gè)逆?zhèn)鞑ゼす鈳?3的兩個(gè)而發(fā)生，它們用來(lái)在冷卻單元(未示出)中產(chǎn)生兩維磁-光捕獲(2D-M0T)，該冷卻單元包括在超真空系統(tǒng)中，其中，壓力由泵激裝置(未示出)保持在約10_7mbar的水平。
[0143]用來(lái)產(chǎn)生兩維磁-光捕獲的三個(gè)逆?zhèn)鞑ゼす鈳?3中剩余的激光帶將原子軸向推向初級(jí)真空腔室，從而增大原子流量。
[0144]俘獲發(fā)生在初級(jí)腔室61中，在該處類似泵激裝置(未示出)將壓力保持在約10-9mbar的水平。
[0145]俘獲由于三維磁-光捕獲而發(fā)生，該三維磁-光捕獲通過(guò)至少四個(gè)帶(該至少四個(gè)帶從用來(lái)產(chǎn)生三維磁-光捕獲的帶32而產(chǎn)生)的注入、和捕獲磁場(chǎng)(該捕獲磁場(chǎng)由兩個(gè)螺線管66產(chǎn)生)的同時(shí)致動(dòng)而產(chǎn)生。
[0146]優(yōu)選地注入三對(duì)逆?zhèn)鞑ズ头枪裁婕す鈳?，這三對(duì)逆?zhèn)鞑ズ头枪裁婕す鈳挠脕?lái)獲得二維磁_(tái)光捕獲的帶32而取得。
[0147]螺線管66容納在兩個(gè)座中，這兩個(gè)座形成在初級(jí)腔室61上，如在圖5b中所示的那樣，從而相同螺線管66位于離原子可能最小的距離處，用來(lái)限制消散的熱功率。
[0148]兩個(gè)螺線管66中的每一個(gè)包括銅導(dǎo)線的多個(gè)線圈，從而產(chǎn)生對(duì)于磁-光捕獲的起作用必需的磁場(chǎng)梯度。
[0149]三維磁-光捕獲因此在初級(jí)腔室61中產(chǎn)生，在該處，首先引入冷卻原子的樣本，并且然后將三對(duì)激光帶通過(guò)多個(gè)光學(xué)窗口 64的六個(gè)注入，這些光學(xué)窗口 64在初級(jí)腔室61本身中獲得。
[0150]注入借助于第一多個(gè)光學(xué)器件68而發(fā)生，這些光學(xué)器件68組裝在獨(dú)立支架(未示出)上，并且適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉诙喔鈱W(xué)纖維69的下游，從而保證對(duì)于俘獲必需的帶的對(duì)準(zhǔn)。
[0151]三維磁-光捕獲優(yōu)選地通過(guò)三對(duì)逆?zhèn)鞑ズ头枪裁婕す鈳У南嗷プ饔枚a(chǎn)生，在這三對(duì)逆?zhèn)鞑ズ头枪裁婕す鈳е?，兩?duì)相對(duì)于豎立方向傾斜45°，并且一對(duì)沿水平方向布置。
[0152]磁-光捕獲這種配置通常用1-1-0指代，并且容許在超真空系統(tǒng)的小型化與光學(xué)接近的多樣性之間的較好關(guān)系。
[0153]可選擇地，可實(shí)施關(guān)于三對(duì)逆?zhèn)鞑ズ头枪裁鎺У娜魏闻渲?、或關(guān)于四個(gè)帶的配置，這四個(gè)帶具有四面體幾何形狀。
[0154]應(yīng)該注意，三維磁-光捕獲也可通過(guò)后向光學(xué)器件獲得，這些后向光學(xué)器件從較小數(shù)量的帶開始，也可能僅從一個(gè)帶開始；然而，后向光學(xué)器件的使用由于通過(guò)相同原子的光吸收，使原子的位置較不穩(wěn)定，因此在與原子密度相關(guān)的后向反射帶之間具有強(qiáng)度不平衡。
[0155]重力加速度測(cè)量在測(cè)量期間受到原子的有效位置的影響；這取決于原子的初始位置和初始速度，因此必須精確地控制該初始位置和初始速度。
[0156]為此，冷卻原子的俘獲步驟和釋放步驟都特別重要。
[0157]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，三維磁-光捕獲的激光帶與捕獲磁場(chǎng)一起消除，容許原子云按接近零的平均速度的釋放。
[0158]這種自由降落釋放技術(shù)容許獲得初始速度的最佳控制、和超真空系統(tǒng)14的尺寸的優(yōu)化，該超真空系統(tǒng)14在這種情況下必須包括單獨(dú)與原子的自由降落相對(duì)應(yīng)的軌跡。
[0159]除三維磁-光捕獲之外，借助于至少一個(gè)聚焦激光帶(未示出)或一對(duì)相交激光帶，優(yōu)選地產(chǎn)生偶極光學(xué)捕獲或FORT (遙遠(yuǎn)諧振偶極捕獲)，這對(duì)相交激光帶通過(guò)第二多個(gè)光學(xué)器件(未示出)引導(dǎo)到初級(jí)腔室61中。
[0160]這樣的第二多個(gè)光學(xué)器件的位置通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)(未示出)的使用優(yōu)選地使得在幾微米的水平下是穩(wěn)定的，該機(jī)械結(jié)構(gòu)用來(lái)按足夠剛度的方式支承這些光學(xué)器件。
[0161]用來(lái)形成偶極光學(xué)捕獲的帶的產(chǎn)生優(yōu)選地從這樣的帶取得，這樣的帶從第二源24發(fā)射，有益地注入到光學(xué)放大器(未示出)中；用來(lái)形成偶極光學(xué)捕獲的這樣的帶否則由第三激光源(未示出)產(chǎn)生，該第三激光源具有不同波長(zhǎng)，就頻譜純度而論具有較小限制的要素，例如是從500mW至810nm或850nm的二極管。
[0162]也應(yīng)該指出，偶極光學(xué)捕獲的直線尺寸有益地在數(shù)百微米的量級(jí)，以便使俘獲原子的量最大化。
[0163]也可形成捕獲的高度非對(duì)稱幾何形狀，以便同時(shí)優(yōu)化原子的量、和沿測(cè)量軸線的空間分辨率。
[0164]冷卻原子樣本然后從三維磁-光捕獲轉(zhuǎn)移到偶極光學(xué)捕獲，以便以后從后者按自由降落釋放。
[0165]在任何情況下，在磁-光捕獲的釋放之后，冷卻原子在重力的作用下自由地降落。
[0166]自由降落發(fā)生在圓柱形導(dǎo)管62中，該圓柱形導(dǎo)管62將初級(jí)腔室61連接到次級(jí)腔室63。
[0167]在導(dǎo)管62中的自由降落期間，原子經(jīng)受疊加Raman干涉測(cè)量激光帶41的作用。這些帶在豎立方向上通過(guò)光學(xué)窗口注入到初級(jí)腔室中，它們通過(guò)導(dǎo)管62和次級(jí)腔室63，并且從超真空系統(tǒng)14離開，以便以后由后向反射鏡21后向反射。[0168]在干涉測(cè)量工序之后，原子在考慮的特定原子種類的基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)F1和F2上。
[0169]在這時(shí)，探測(cè)步驟是必要的，該探測(cè)步驟用來(lái)測(cè)量在基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)子能級(jí)F1和F2中的原子數(shù)目的比值，以便獲得在與它們相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)波之間的階躍移動(dòng)的估計(jì)，并因而測(cè)量重力加速度g。
[0170]根據(jù)本發(fā)明，不僅可以實(shí)施在分離區(qū)域中的同時(shí)探測(cè)技術(shù)和分離區(qū)域順序探測(cè)技術(shù)，而且也可以實(shí)施在單個(gè)區(qū)域中的順序探測(cè)技術(shù)。
[0171]根據(jù)這種探測(cè)方案，在基本狀態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)子能級(jí)FjPF2中的原子首先用借助于推進(jìn)帶33獲得的選擇性豎向推進(jìn)而分離，并且它們?nèi)缓蟀错樞蛲ㄟ^(guò)具有探測(cè)帶的單個(gè)相互作用區(qū)域。
[0172]由于在原子云之間的分離是純豎向的，所以這些原子云顯然在不同時(shí)間內(nèi)可通過(guò)相同探測(cè)區(qū)域。
[0173]這種技術(shù)減少在分離區(qū)域中的探測(cè)中存在的多種系統(tǒng)誤差；分離區(qū)域探測(cè)的校準(zhǔn)事實(shí)上特別精密，因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)通道，由于在兩個(gè)相異區(qū)域中使用的探測(cè)光學(xué)器件的不同幾何形狀和不同光-電裝置，探測(cè)效率是內(nèi)在不同的。
[0174]從上方向下開始，跟隨由重力限定的豎立方向，本發(fā)明的絕對(duì)重力測(cè)量裝置10 —般包括激光系統(tǒng)13、支承平面16、超真空系統(tǒng)14、后向反射鏡21、及地震衰減系統(tǒng)15。
[0175]為了保證高測(cè)量精度，必須將絕對(duì)重力測(cè)量裝置10沿其豎向軸線的振動(dòng)減小到最小，特別是沿后向反射鏡21的豎立方向的振動(dòng)，并且必須保持絕對(duì)重力測(cè)量裝置10的上方元件沿豎立方向盡可能對(duì)準(zhǔn)。
[0176]此外，適于保證這樣的技術(shù)規(guī)范的地震衰減系統(tǒng)15必須具有減少的障礙物，從而容許它安裝在可運(yùn)輸?shù)慕^對(duì)重力測(cè)量裝置10中，如由本發(fā)明提供的那樣。對(duì)于絕對(duì)重力測(cè)量裝置10，借助于地震衰減系統(tǒng)15保證以上技術(shù)規(guī)范，這是本發(fā)明的目的。
[0177]后向反射鏡21的豎向阻尼，通過(guò)在對(duì)于干涉測(cè)量工序必需的時(shí)間范圍內(nèi)將后向反射鏡21與地面振動(dòng)脫開而發(fā)生。
[0178]為了將地震噪聲優(yōu)選地衰減至少40dB，地震衰減系統(tǒng)15具體地安裝在后向反射鏡21下面。
[0179]如可在圖8中看到的那樣，所述地震衰減系統(tǒng)15在地面上或在任何其它結(jié)構(gòu)上包括絕對(duì)重力測(cè)量裝置10的支承下部板1000，該支承下部板1000可能在下面設(shè)有支腳1001。地震衰減系統(tǒng)15還包括后向反射鏡21的上部支承板1002，該上部支承板1002設(shè)有通孔1003。后向反射鏡21借助于幾何彈簧-反-彈簧聯(lián)接，而被保持懸置在所述通孔1003上方，該幾何彈簧-反-彈簧聯(lián)接本身是已知類型的，包括三個(gè)金屬葉片70、71、72，這三個(gè)金屬葉片70、71、72被布置和約束在產(chǎn)生以上彈簧-反-彈簧聯(lián)的構(gòu)造中。
[0180]金屬葉片的數(shù)量當(dāng)然也可大于三個(gè)。
[0181]下部板1000借助于鉸接臂1008連接到上部板1002上，這些鉸接臂1008在端部處攜帶球形鉸接頭1009。
[0182]這些鉸接臂1008容許后向反射鏡21借助于桿元件1010而調(diào)平，該桿元件1010從上部球形鉸接頭1009開始，穿過(guò)在上部板1002下面的后向反射鏡21的長(zhǎng)形基座1011，直到相關(guān)座1012，該相關(guān)座1012又被約束在上部板1002下面。[0183]通過(guò)具有金屬葉片70、71、72 (這些金屬葉片70、71、72保持后向反射鏡21懸置)的類型的這種彈簧-反-彈簧幾何形狀，可以通過(guò)改變每個(gè)葉片70、71、72的基座的錨定點(diǎn)到上部板1002的距離，而改變后向反射鏡21的豎向運(yùn)動(dòng)的諧振頻率。
[0184]采用這樣的彈簧-反-彈簧幾何形狀，被約束到上部板1002的葉片70、71、72的基座按撓曲工作，并且像具有正剛度的普通彈簧那樣起作用，而它們的頭部像具有負(fù)剛度的反-彈簧那樣按壓縮工作，這些頭部在其中它們保持后向反射鏡21升高的點(diǎn)中相互彼此相對(duì)。
[0185]這兩種彈簧的組成可將整體剛度值減小到非常低的值，這些非常低的值由系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)的發(fā)生而限制，該雙穩(wěn)態(tài)通過(guò)幾乎零有效剛度值而獲得，其中，系統(tǒng)將會(huì)在無(wú)差異平衡的狀態(tài)下。
[0186]為了保證高角剛度和為了抵抗在與豎立方向正交的平面中的任何可能的移動(dòng)-沿該豎立方向阻尼起作用，本發(fā)明在后向反射鏡21與上部板1002之間提供徑向約束
>j-U ρ?α裝直。
[0187]根據(jù)所示的實(shí)施例,這些徑向約束裝置包括系桿元件1005,這些系桿元件1005的一側(cè)固定在后向反射鏡21下面，另一側(cè)借助于牽拉裝置1006固定到上部板1002，這些牽拉裝置1006又固定到上部板1002。
[0188]如以上已經(jīng)提到的那樣，反射鏡21必須保持其軸線沿豎立方向?qū)?zhǔn)，優(yōu)選地在約50微弧度的角度內(nèi)。
[0189]對(duì)準(zhǔn)的監(jiān)視使用與地震衰減系統(tǒng)15本身成一體的后向反射鏡21的傾斜角的測(cè)量裝置而發(fā)生。
[0190]根據(jù)所示的實(shí)施例，傾斜角的測(cè)量裝置包括四面體元件1013，該四面體元件1013面對(duì)下部板1000，并且被約 束在后向反射鏡21的下部的長(zhǎng)形部分111的下面。
[0191]這樣的四面體元件1013起到用于射線1016的反射元件的作用，這些射線1016由放置在下部板1000上在所述四面體元件1013下面的源產(chǎn)生。
[0192]具體地說(shuō)，四面體1013將射線偏轉(zhuǎn)到適當(dāng)接收元件1015上，這些適當(dāng)接收元件1015被約束到下部板1000上。
[0193]按這種方式，當(dāng)各接收元件1015中的至少一個(gè)沒有由相關(guān)反射射線1017擊中時(shí)，表明后向反射鏡21的傾斜角相對(duì)過(guò)大，在容許的水平以上。
[0194]后向反射鏡21的過(guò)大傾斜角的校正通過(guò)借助于專用機(jī)動(dòng)裝置手動(dòng)地或自動(dòng)地作用在調(diào)節(jié)螺釘(這些調(diào)節(jié)螺釘集成在鉸接臂1008中)上而進(jìn)行。
[0195]激光系統(tǒng)13的操縱方法100包括通過(guò)兩個(gè)源23、24的點(diǎn)燃的多個(gè)原子的冷卻，俘獲、操縱、推進(jìn)及探測(cè)帶的產(chǎn)生步驟101。
[0196]在這個(gè)產(chǎn)生步驟之后，提供以上多個(gè)原子的冷卻步驟102，這個(gè)冷卻步驟102通過(guò)用來(lái)產(chǎn)生兩維磁-光捕獲的逆?zhèn)鞑?3的致動(dòng)和注入到冷卻單元102中而發(fā)生。
[0197]在冷卻步驟102的結(jié)束處，消除用來(lái)產(chǎn)生兩維磁-光捕獲的逆?zhèn)鞑?3，并且然后進(jìn)行在超真空系統(tǒng)14的初級(jí)腔室61中冷卻的多個(gè)原子的俘獲步驟103。
[0198]所述俘獲步驟103通過(guò)用來(lái)產(chǎn)生三維磁-光捕獲的帶32的致動(dòng)和注入、并且也通過(guò)由兩個(gè)螺線管66產(chǎn)生的捕獲磁場(chǎng)的同時(shí)產(chǎn)生而發(fā)生。
[0199]在俘獲步驟103之后，提供自由降落釋放步驟104，該自由降落釋放步驟104根據(jù)本發(fā)明包括通過(guò)用來(lái)產(chǎn)生三維磁-光捕獲的帶32和由兩個(gè)螺線管66產(chǎn)生的捕獲磁場(chǎng)的同時(shí)消除的三維磁-光捕獲的熄滅步驟109。
[0200]在熄滅三維磁-光捕獲之后，冷卻原子在重力的作用下自由地降落；顯然重要的是，也準(zhǔn)確地知道原子的初始位置，然而，該初始位置在激光帶的偏振中、在激光帶的光學(xué)頻率中，可受到在各激光帶之間的相對(duì)強(qiáng)度的波動(dòng)的影響。全部這些參數(shù)都受到一些技術(shù)因素的影響，如受到設(shè)備的溫度波動(dòng)和振動(dòng)的影響，從而對(duì)原子重力計(jì)的穩(wěn)定性和精度形成限制。
[0201]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，釋放步驟104有益地另外包括轉(zhuǎn)移步驟105，其中，在三維磁-光捕獲中俘獲的原子轉(zhuǎn)移到偶極光學(xué)捕獲。
[0202]所述轉(zhuǎn)移步驟105在三維磁-光捕獲的熄滅以后，通過(guò)致動(dòng)用來(lái)產(chǎn)生偶極光學(xué)捕獲的帶而發(fā)生。
[0203]轉(zhuǎn)移步驟105跟隨有多個(gè)原子的釋放步驟106，其中，消除用來(lái)產(chǎn)生偶極光學(xué)捕獲的帶，讓原子自由地降落。
[0204]在轉(zhuǎn)移步驟105之后，并且在釋放步驟106之前，原子樣本的進(jìn)一步冷卻步驟(未示出)優(yōu)選地借助于諸如“Raman側(cè)帶冷卻”和/或蒸發(fā)冷卻之類的技術(shù)而發(fā)生，以便減小原子速度分散對(duì)于干涉測(cè)量的影響。
[0205]“Raman側(cè)帶冷卻”技術(shù)基于如下事實(shí):在保存勢(shì)能(如偶極光學(xué)捕獲)中俘獲的原子以離散能量級(jí)振蕩，因?yàn)樗鼈冎荒芫哂姓駝?dòng)能量值的離散組合。
[0206]通過(guò)致動(dòng)一對(duì)激光帶以在原子樣本上誘導(dǎo)Raman轉(zhuǎn)換，原子轉(zhuǎn)移到最低振動(dòng)能量級(jí)。以這種方式，對(duì)于每個(gè)Raman轉(zhuǎn)換，原子轉(zhuǎn)移到激光帶，能量與在吸收光子與發(fā)射光子之間的能量差等效，并且冷卻從這種能量損失取得。用這種技術(shù)在銫的樣本上已經(jīng)獲得在幾微秒中在100納K的量級(jí)中的溫度；另一方面，關(guān)于銣87原子，沒有觀察到比800納K低的溫度。
[0207]在偶極光學(xué)捕獲中的蒸發(fā)冷卻基于俘獲樣本的最大能量原子的自發(fā)選擇性損失現(xiàn)象；具有比一定閾值大的能量的原子不能被俘獲，并且在一定時(shí)間之后，它們離開樣本；“熱”原子的損失引起樣本的平均熱能的減小，因而引起原子溫度的降低。為了提高冷卻速率和效率，閾值能量通過(guò)蒸發(fā)而減小，以減小光學(xué)捕獲激光的強(qiáng)度(強(qiáng)迫蒸發(fā))，從而保持在閾值能量與平均溫度之間的比值足夠低。蒸發(fā)冷卻容許達(dá)到極低溫度(納K)，但引起原子數(shù)量的顯著減少，并且一般要求冗長(zhǎng)時(shí)間(從幾秒到幾十秒)，以容許樣本的熱化。
[0208]這種進(jìn)一步冷卻步驟可被強(qiáng)加，直到已經(jīng)達(dá)到量子退化條件(Bose-Einstein冷凝或Fermi氣體退化，依據(jù)原子自旋力矩)，以便使用一定量子相干性能來(lái)改進(jìn)重力計(jì)10的靈敏度和精度。
[0209]在釋放步驟104的結(jié)束處，通過(guò)在通過(guò)圓柱形導(dǎo)管62的多個(gè)原子的自由降落期間疊加Raman干涉測(cè)量帶41的致動(dòng)，執(zhí)行干涉測(cè)量工序107。
[0210]在干涉測(cè)量工序之后，消除疊加Raman干涉測(cè)量帶41，并且按照實(shí)施的探測(cè)技術(shù)，通過(guò)致動(dòng)推進(jìn)帶33和探測(cè)帶31執(zhí)行探測(cè)步驟108。
[0211]更具體地說(shuō)，探測(cè)步驟108優(yōu)選地通過(guò)單區(qū)域順序探測(cè)技術(shù)的實(shí)施而執(zhí)行。
[0212]可選擇地，探測(cè)步驟108通過(guò)在分離區(qū)域中的同時(shí)探測(cè)技術(shù)或在分離區(qū)域中的順序探測(cè)技術(shù)的實(shí)施而執(zhí)行。[0213]應(yīng)該指出，強(qiáng)度的控制和因此在測(cè)量過(guò)程中涉及的激光帶的致動(dòng)和消除，通過(guò)包括在激光系統(tǒng)13中的多個(gè)電-光致動(dòng)調(diào)制器和機(jī)械活門的使用的組合而發(fā)生。
[0214]具體地說(shuō)，電-光致動(dòng)調(diào)制器用于其中具有最大時(shí)間精度的消除和/或致動(dòng)是必要的帶，而當(dāng)時(shí)間精度不是關(guān)鍵的時(shí)，并且/或者當(dāng)帶的完全消除是重要的時(shí)，使用多個(gè)機(jī)械活門，因?yàn)殡?光致動(dòng)調(diào)制器不保證完全消除；最后，對(duì)于既要求時(shí)間精度又要求完全消除的帶，按級(jí)聯(lián)使用多個(gè)電-光致動(dòng)調(diào)制器之一和多個(gè)機(jī)械活門之一。
[0215]通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置(該通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置是本發(fā)明的目的)的特性、以及相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，由以上描述而清楚。
[0216]所述通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置事實(shí)上包括激光系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)能夠僅由兩個(gè)激光源，產(chǎn)生對(duì)于絕對(duì)重力測(cè)量裝置本身起作用必需的全部激光帶。
[0217]這意味著，這種激光系統(tǒng)可安裝在緊湊模塊上，這些緊湊模塊優(yōu)選地位于絕對(duì)重力測(cè)量裝置的測(cè)量頭處，使得后者尺寸小巧，并且使它容易運(yùn)輸。
[0218]此外，由于測(cè)量頭定位在恒溫調(diào)節(jié)框架內(nèi)部，所以可以對(duì)用來(lái)將由激光系統(tǒng)產(chǎn)生的多個(gè)帶傳輸?shù)匠婵障到y(tǒng)的光學(xué)纖維的溫度波動(dòng)加以控制。
[0219]上述全部特點(diǎn)也使得能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
[0220]實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)保證了源的高頻譜純度(頻率和階躍質(zhì)量控制)、強(qiáng)度穩(wěn)定性及供給的光學(xué)功率。
[0221]頻譜純度通過(guò)窄線ECDL激光器的使用而得以保證，所述激光器用調(diào)制轉(zhuǎn)移頻譜技術(shù)而穩(wěn)定，該調(diào)制轉(zhuǎn)移頻譜技術(shù)保證高的頻率穩(wěn)定性。通過(guò)高頻聲-光調(diào)制器的使用(代替在其它設(shè)備中使用的兩個(gè)激光器之間的光學(xué)階躍連接)而保證Raman激光器的相關(guān)階躍穩(wěn)定性。就強(qiáng)度穩(wěn)定性而論，小型化光學(xué)元件的使用具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軌虮ＷC更大的對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性。
[0222]最后，由于三個(gè)光學(xué)放大器的使用，可獲得的總功率與其它實(shí)驗(yàn)室重力測(cè)量裝置是相當(dāng)?shù)?，或者比它們高?br> [0223]根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)的操縱方法，通過(guò)實(shí)施自由降落釋放技術(shù)，容許減小超真空系統(tǒng)的尺寸，并且獲得原子的初始速度的最佳控制。
[0224]偶極光學(xué)捕獲的形成步驟容許在當(dāng)自由降落開始的瞬時(shí)處原子位置的高精度控制，在該偶極光學(xué)捕獲中，原子在它們的自由降落釋放之前從磁-光捕獲轉(zhuǎn)移。
[0225]在這種情況下，事實(shí)上，原子的初始位置僅取決于第二多個(gè)光學(xué)器件(至少一個(gè)聚焦帶通過(guò)這些光學(xué)器件注入)的位置。
[0226]此外，在本發(fā)明中描述的可替代式地震衰減系統(tǒng)一方面具有減少的障礙，并且另一方面，不僅將沿后向反射鏡的豎立方向的振動(dòng)減小到最小，而且也保持絕對(duì)重力測(cè)量裝置的各元件沿豎立方向盡可能對(duì)準(zhǔn)。
[0227]最后，如此想到的通過(guò)原子干涉測(cè)量的絕對(duì)重力測(cè)量裝置顯然可經(jīng)歷多種修改和變更，全部這樣的修改和變更都包括在本發(fā)明中；此外，全部細(xì)節(jié)可由等效技術(shù)元素替換。在實(shí)際中，使用的材料、以及尺寸可根據(jù)技術(shù)要求而變化。
【權(quán)利要求】
1.一種絕對(duì)重力測(cè)量裝置(10)，所述絕對(duì)重力測(cè)量裝置包括沿由重力限定的豎立方向按向下順序排列的如下構(gòu)件:用于產(chǎn)生激光帶的激光系統(tǒng)(13)、所述激光系統(tǒng)(13)的支承平面(16)、用于使所述帶通過(guò)的超真空系統(tǒng)(14)、用于使所述帶離開所述超真空系統(tǒng)(14)的后向反射鏡(21)、以及地震衰減系統(tǒng)(15)，所述地震衰減系統(tǒng)(15)包括上部板(1002)，所述上部板設(shè)有孔(1003)，所述后向反射鏡(21)借助于至少三個(gè)金屬葉片(70、71、72)而被保持懸置在所述孔的上方，所述三個(gè)金屬葉片(70、71、72)包括第一端部和第二端部，所述第一端部被約束到所述板(1002)的周緣上，所述第二端部位于所述孔(1003)的上方并且與所述后向反射鏡(21)相對(duì)應(yīng)，所述三個(gè)金屬葉片(70、71、72)構(gòu)造成用以形成用于阻抑所述后向反射鏡(21)沿所述豎立方向的振動(dòng)的彈簧-反彈簧幾何形狀，其特征在于，所述絕對(duì)重力測(cè)量裝置(10)還包括:與所述地震衰減系統(tǒng)(15)成一體的、用來(lái)調(diào)平所述后向反射鏡(21)的裝置，以及在所述后向反射鏡(21)與所述上部板(1002)之間、在與所述豎立方向正交的平面中起作用的徑向約束裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它包括下部板(1000)，所述下部板用來(lái)將所述裝置(10)支持在地面上，所述用來(lái)調(diào)平所述后向反射鏡(21)的裝置包括至少三個(gè)鉸接臂(1008)，所述至少三個(gè)鉸接臂的端部處具有球形鉸接頭(1009)，所述球形鉸接頭用來(lái)將所述下部板(1000)與所述上部板(1002)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述后向反射鏡(21)的所述調(diào)平裝置還包括桿元件(1010)，所述桿元件從被約束到所述上部板(1002)上的所述球形鉸接頭(1009 )之一開始，穿過(guò)所述后向反射鏡(21)的長(zhǎng)形基座(1011)，所述長(zhǎng)形基座在所述上部板(1002)下面突出。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，它包括與所述地震衰減系統(tǒng)(15)成一體的、用來(lái)測(cè)量所述后向反射鏡(21)的傾斜角的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述用來(lái)測(cè)量?jī)A斜角的裝置包括四面體元件(1013)，所述四面體元件被約束在所述后向反射鏡(21)下部的長(zhǎng)形部分(1011)的下方，面對(duì)在所述下部板(1000)上定位的激光源，所述四面體(1013)將由所述激光源產(chǎn)生的所述帶向著被約束到所述下部板(1000)上的豎立接收元件(1015)反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，它包括致動(dòng)裝置，所述致動(dòng)裝置由所述豎立接收元件(1015 )驅(qū)動(dòng)，用于調(diào)平所述后向反射鏡(21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，由所述豎立接收元件(1015)驅(qū)動(dòng)的、用于調(diào)平所述后向反射鏡(21)的所述致動(dòng)裝置包括作用在調(diào)節(jié)螺釘上的機(jī)動(dòng)裝置，所述調(diào)節(jié)螺釘定位在所述鉸接臂(1008)中。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述徑向約束裝置包括徑向系桿元件(1005)，所述徑向系桿元件的一側(cè)固定到所述后向反射鏡(21)下面，另一側(cè)固定到所述上部板(1002)的周緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，它包括用于所述徑向系桿元件(1005)的牽拉裝置(1006 )，所述牽拉裝置固定在所述上部板(1002 )上方。
【文檔編號(hào)】G01V7/00GK103430052SQ201180067406
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月29日
【發(fā)明者】F·伊塔蓮諾, M·安東內(nèi)利, G·M·L·蒂諾, F·索倫蒂諾, M·德安杰利斯 申請(qǐng)人:艾尼股份公司