量子绝对重力仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种绝对重力测量装置，具体地说，是涉及一种量子绝对重力仪。


背景技术：

2.高精度重力测量仪器可以用于油气普查、矿产资源勘探、地质调查、环境监测、地球物理等领域，应用前景非常广阔。根据测量方式不同，重力测量可分为绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量是测定地球重力场中特定位置的绝对重力值，相对重力测量是测定地球重力场中特定两点的重力差值。绝对重力测量一般采用动力法。主要利用两种方法:一种是观测自由落体的运动，这是g.伽利略在1590年进行世界上第一次重力测量时所用的方法。第二种是观测摆的运动，这是荷兰物理学家c.惠更斯在1673年提出的。目前常用的绝对重力仪的基本原理就是观测自由落体的运动，自由落体质量体为一个光学棱镜，利用稳定的氦氨激光束的波长作为迈克尔逊(michelson)干涉仪的光学尺，直接测量空间距离；时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。根据质量体下落的距离和时间，从而得出测量点的绝对重力加速度。
3.量子绝对重力仪是一种新型的高精度绝对重力测量仪器，它利用微观的原子作为测试质量，基于冷原子物质波干涉的方法实现精密的重力加速度测量。冷原子作为一团独特的量子物质，利用它可以实现类似与光波干涉的原子物质波干涉，通过激光脉冲实现原子波包的分束、偏转、合束，从而实现原子干涉条纹，重力加速度会改变微观原子的下落路径，因此改变干涉条纹的相位。通过提取原子干涉条纹的相位，得到重力加速度的信息。量子绝对重力仪一般由探头系统、光路系统、电控系统三部分组成。
4.地球表面约有71％的海洋，为了获得全球重力资料，必须进行海洋重力测量。在沙漠、冰川、沼泽、崇山峻岭和原始森林等交通不便、人迹难到的地区进行重力测量，需采用航空重力测量方法。海洋和航空等动态重力测量为了抵消载体扰动影响，必须增加辅助测量设备，这些设备对重力仪探头的尺寸及重量有严格的要求。
5.公开号cn106959473a的中国专利申请文件提供了一种可移动冷原子绝对重力加速度传感器，其采用二维磁光阱 三维磁光阱结构，真空腔采用石英玻璃真空腔。铷原子在二维磁光阱中预冷却，通过吹送光吹送至三维磁光阱中，完成原子装载过程。接下来通过量子态制备、冷原子干涉、归一化探测、震动补偿、倾斜校正、系统误差消除得到测量结果。虽然该系统能实现可移动，但石英玻璃真空腔造价昂贵，容易损坏，运输过程中需设计专用运输平台精密保存。同时二维磁光阱 三维磁光阱结构复杂，限制了探头系统的小型化。
6.公开号cn106597561a的中国专利申请文件提供了一种用于原子干涉重力测量的真空装置，该申请同样采用二维磁光阱 三维磁光阱结构，真空腔为钛合金真空腔。三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔。十四面体为竖直方向放置，且上方连接探测部件，下方连接光学部件，左边连接二维磁光阱部件。工作时，位于二维磁光阱部件中的原子经过四束激光预冷却后被推送到三维磁光阱部件中进一步被六束对射激光进行三维冷却；充分冷却以后的原子被上抛进入干
涉部件，拉曼激光从顶端入射与原子发生相互作用产生原子干涉；干涉完成后，原子落回探测部件时，对原子进行探测。虽然该系统能保证测量精度，但是整个系统过于庞大，二维磁光阱 三维磁光阱结构导致附属冷却光路复杂，引入的激光准直系统较多。三维磁光阱部件为由一个正方体切掉八个顶角后形成的十四面体，且在十四面体的每个面上均开设有孔，制作复杂并且加工困难。该系统只能用于实验室测量，不具备可移动性。
7.公开号cn108279441a的中国专利申请文件提供了一种小型化原子干涉仪的真空结构，该申请采用单独三维磁光阱结构，真空腔为钛合金真空腔。其三维磁光阱部件为八角柱形腔，八角柱形腔的每个面均开孔；顶面的上孔用于安装连接部件，底面的下孔用于安装干涉部件，一个侧面的侧孔安装原子源部件，其余七个侧面的侧孔内嵌焊接光学窗口，且四周开有螺纹孔，用以安装外部的光学部件。初态制备后的原子下落至干涉部件，与竖直方向上的拉曼光相互作用，原子产生干涉，最后原子落到探测部件，对原子进行探测。虽然该系统去掉了二维磁光阱，优化了三维磁光阱，使一束冷却光与拉曼光共用一个激光准直系统。但是结构仍然复杂，整个冷却光路仍需要5个激光准直系统。并且三维磁光阱为八角柱形，同样加工困难。
8.此外，目前常用的量子绝对重力仪探头真空腔有钛合金真空腔和石英玻璃真空腔。其中钛合金真空腔结构可靠，但不易加工、通光面积小；石英玻璃真空腔易于小型化，但价格昂贵、易损坏、不易高温烘烤。国内外大多数研究单位对量子绝对重力仪探头设计还停留在实验室测量阶段，整个真空系统及配套光路结构复杂、体积庞大、造价昂贵，不适宜移动测量。在保证整套重力仪系统测量精度的前提下，如何进一步减小体积、减轻重量以及降低成本，成为量子绝对重力仪研究亟需解决的问题。


技术实现要素：

9.基于上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种量子绝对重力仪，其相对轻巧、结构紧凑，具有可移动的产品化特点。
10.为了实现上述目的，本实用新型提供一种量子绝对重力仪，其包括通过电线和/或光纤相互连接的控制系统、激光系统和探头；其中：
11.所述控制系统，包括控制器及与其连接的能够在需要时消除对应激光束的多个机械快门；
12.所述激光系统，用于提供激光光源，该激光光源用于产生用以辅助冷却、捕获、吹送、干涉和探测原子的多个激光束；
13.所述探头包括测量部分及支撑架，所述测量部分包括用于捕获原子并为其提供自由落体空间的超高真空单元，该超高真空单元外围配置有与所述激光系统联结并引导产生多个激光束的光路结构及与该光路结构配合以产生冷却、捕获原子的三维磁光阱的磁场单元；其中，超高真空单元的顶部、侧壁及底部均限定有用于注入绝对重力测量所必须的激光束的光学窗口；所述支撑架限定有间隔设置的上、中、下支撑部件，相邻支撑部件之间通过支撑部件连接，所述光路结构布设于上、中、下支撑部件上，所述磁场单元配置于中支撑部件上，其中，上、中、下支撑部件上均形成有贯通孔，中支撑部件上的贯通孔用于嵌设超高真空单元，上支撑部件上的贯通孔用于避让自上支撑部件的光学结构部分发出的进入超高真空单元顶部的激光束。
14.作为优选，所述超高真空单元包括一体成型的钛合金腔体、与该钛合金腔体顶部相连通的真空管道及与该真空管道相连通的抽真空装置；超高真空单元的顶部、侧壁及底部均限定有用于注入绝对重力测量所必须的激光束的光学窗口。
15.作为优选，所述钛合金腔体为长方体，其内自上而下分别配置为三维磁光阱区、干涉区及探测区，所述钛合金腔体的上、下端开口，且其各侧面均限定有上、下两个光学窗口，其中，上部的第一光学窗口正对三维磁光阱区，下部的第二光学窗口正对探测区，钛合金腔体的上端开口通过连接部件与真空管道连接，钛合金腔体的下端开口处配置第三光学窗口。
16.作为优选，所述光路结构包括用于实现三维磁光阱的三束激光束的第一光路结构、用于实现诱导原子干涉的激光束的第二光路结构、用于实现清除处于无关能级的原子的激光束的第三光路结构及用于实现原子探测的激光束的第四光路结构；所述第一光路结构包括第一准直装置及与该第一准直装置联结的光学组件，所述光学组件用于将第一准直装置发出的激光束分为两束对射的关于垂直方向倾斜45
°
的第一冷却光束和一束对射的沿水平方向注入并与两第一冷却光束垂直交汇的第二冷却光束；所述光学组件包括至少设置于上支撑部件与中支撑部件之间的三个基准平面上的多个光学部件，其中，第一基准平面高于三维磁光阱中心，第二基准平面与三维磁光阱中心等高，第三基准平面低于三维磁光阱中心。
17.作为优选，所述光学组件包括第一分光装置、第二分光装置、第一反射部件、第四反射部件、第五反射部件、第六反射部件、第八反射部件及第九反射部件；其中，第一反射部件和/或第四反射部件的作用面设置于第一基准平面上，第八反射部件及第九反射部件的作用面设置于第二基准平面上，第五反射部件和/或第六反射部件的作用面设置于第三基准平面上；且第一反射部件、第四反射部件、第五反射部件、第六反射部件、第八反射部件及第九反射部件的作用面均正对三维磁光阱的中心；且第一反射部件与第六反射部件位于三维磁光阱中心的一侧，第四反射部件及第五反射部件设置于三维磁光阱中心的另一侧；且第五反射部件、第六反射部件及第九反射部件的作用面与三维磁光阱中心之间均设置有用于改变光束相位从而使对射的光束相互反相的相位调整部件；
18.所述第一分光装置与第一准直装置联结，用于将第一准直装置发出的激光束分为传播方向相互垂直的第一次级光束和第二次级光束，其中，所述第一次级光束直接或间接地入射至第二分光装置，第二次级光束直接或间接地入射至第一反射部件的作用面上，所述第二次级光束被第一反射部件反射后沿斜向下45
°
方向传播并顺次贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件后垂直地入射至第五反射部件的作用面上，所述第五反射部件将第二次级光束反射回原路从而形成一束与垂直方向呈45
°
对射的第一冷却光束；
19.所述第一次级光束被第二分光装置分为传播方向相互垂直的第三次级光束和第四次级光束，所述第三次级光束直接或间接地入射至第四反射部件的作用面上，该第三次级光束被第四反射部件反射后沿斜向下45
°
方向传播并贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件后垂直地入射至第六反射部件的作用面上，所述第六反射部件将第三次级光束反射回原路从而形成另一束与垂直方向呈45
°
对射的第一冷却光束；
20.所述第四次级光束直接或间接地入射至第八反射部件的作用面上，并被第八反射部件反射后沿垂直于两冷却光束的水平方向贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件
后垂直地入射至第九反射部件的作用面上，所述第九反射部件将第四次级光束反射回原路从而形成沿水平方向对射的第二冷却光束。
21.作为优选，所述第一光路结构还包括第二反射部件、第三反射部件及第七反射部件；
22.其中，所述第二反射部件及第三反射部件设置于第三次级光束的传播路径上，用于改变第三次级光束的传播方向，使其在避让三维磁光阱的同时，传播至三维磁光阱的对侧；
23.所述第七反射部件设置于第四次级光束的传播路径上，用于直接或间接地将该第四次级光束反射至第八反射部件上。
24.作为优选，所述探头系统还包括原子数监控装置，其设置于中支撑部件上，且与三维磁光阱中心正对。
25.作为优选，所述探头系统还包括倾斜计，该倾斜计设置于下支撑部件上。
26.作为优选，所述探头系统还包括加速度计。
27.作为优选，所述探头系统还包括水平调节底座，该水平底座设置于测量部分及支撑架的下方，可以通过调节水平调节底座的倾斜角度来调整整个测量部分与重力场的重合度。
28.作为优选，所述探头系统还包括隔振平台，该隔振平台设置于水平调节底座下方，其上配置有拉曼光反射装置的调整装置，同时隔离下方承载面的随机振动噪声。
29.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
30.本实用新型针对真空腔、光路等进行结构改进，在进一步缩小真空腔体积的基础上，去除冗余光纤、减少准直装置，使探头部分结构更为紧凑，进而使得重力仪兼具相对轻巧、结构紧凑及可移动的产品化特点，具有较好的市场前景。
附图说明
31.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
32.图1是本实用新型实施例中量子绝对重力仪探头系统的结构示意图；
33.图2(a)是图1中a向视角的结构示意图；
34.图2(b)是图1中b向视角的结构示意图；
35.图3是本实用新型实施例中支撑架的结构示意图；
36.图4是本实用新型实施例中超高真空单元的结构示意图(未带抽真空装置)；
37.图5是本实用新型实施例中钛合金真空腔的结构示意图；
38.图6是本实用新型实施例中钛合金真空腔的局部(第一光学窗口)的爆炸图；
39.图7是本实用新型实施例中光路结构的结构示意图；
40.图8(a)是本实用新型实施例中第一光路结构的结构俯视图；
41.图8(b)是本实用新型实施例中第一光路结构的结构示意图；
42.图8(c)是本实用新型实施例中第一光路结构的光路结构简图；
43.图9是本实用新型实施例中用于产生三维磁光阱的外围构件示意图。
44.其中，1、超高真空单元；2、支撑架；3、光路结构；4、原子数监控装置；5、倾斜计； 6、
光功率监控部件；
45.11、钛合金腔体；12、真空管道；13、抽真空装置；
46.111、第一光学窗口；112、第二光学窗口；113、第三光学窗口；114、第四光学窗口； 115、法兰；116、阶梯孔；117、阶梯槽；
47.1111、铟丝；1112、窗片；1113、垫片；1114、盖板；
48.21、上支撑部件；22、中支撑部件；23、下支撑部件；24、支撑杆；
49.211、上支撑部件上的贯通孔；221、中支撑部件上的贯通孔；
50.3101、第一分光装置；3102、第二分光装置；3103、第一反射部件；3104、第二反射部件；3105、第三反射部件；3106、第四反射部件；3107、第五反射部件；3108、第六反射部件；3109、第七反射部件；3110、第八反射部件；3111、第九反射部件；a、第一次级光束； b、第二次级光束；c、第三次级光束；d、第四次级光束；3116
‑
3117、第一冷却光束；3118、第二冷却光束；3119、第一准直装置；
51.31011、第一二分之一波片；31012、第二二分之一波片；31013、第一四分之一波片；31014、第二四分之一波片；31015、第三四分之一波片；31016、第一偏振分光棱镜；31017、第二偏振分光棱镜；31018、第四四分之一波片；31019、第五四分之一波片；31020、第六四分之一波片；
52.3201、拉曼光生成装置；3202、拉曼光反射装置；
53.3301、第三准直装置；3302、吹送光反射部件；
54.3401、第四准直装置；3402、探测光反射部件；
55.71、三维磁光阱线圈；此外，图中虚线部分表示光束。
具体实施方式
56.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
57.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
58.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
59.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
60.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
61.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
62.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
63.本实施例提供一种量子绝对重力仪，包括通过电线和/或光纤相互连接的控制系统、激光系统和探头；其中：
64.所述控制系统，包括控制器及与其连接的能够在需要时消除对应激光束的多个机械快门；
65.所述激光系统，用于提供激光光源，该激光光源用于产生用以辅助冷却、捕获、吹送、干涉和探测原子的多个激光束；
66.作为一种较优的实施方式，所述探头包括用于执行绝对重力测量的测量部分及作为该测量部分载体的支撑架2，所述测量部分包括用于捕获原子并为其提供自由落体空间的超高真空单元，该超高真空单元外围配置有与所述激光系统联结并引导产生多个激光束的光路结构及与该光路结构配合以产生冷却、捕获原子的三维磁光阱的磁场单元，超高真空单元的顶部、侧壁及底部均限定有用于注入绝对重力测量所必须的激光束的光学窗口。
67.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)及图3所示，所述支撑架2限定有间隔设置的上、中、下支撑部件，相邻支撑部件之间通过支撑杆24连接，上、中、下支撑部件上均形成有贯通孔，中支撑部件22上的贯通孔221用于嵌设超高真空单元，上支撑部件 21上的贯通孔211用于避让自上支撑部件21的光学结构部分发出的进入超高真空单元1顶部的激光束。优选地，所述支撑架2采用铝合金材质制作。
68.作为一种较优的实施方式，如图4所示，所述超高真空单元1包括一体成型的钛合金腔体11、与该钛合金腔体11顶部相连通的真空管道12及与该真空管道12相连通的抽真空装置13。
69.作为一种较优的实施方式，如图5及图6所示，所述钛合金腔体11为长方体，其内自上而下分别配置为三维磁光阱区、干涉区及探测区，所述钛合金腔体11的上、下端开口，且其各侧面均限定有上、下两个光学窗口，其中，上部的第一光学窗口111正对三维磁光阱区，下部的第二光学窗口112正对探测区，钛合金腔体11的上端开口通过连接部件与真空管道 12连接，钛合金腔体11的下端开口处配置第三光学窗口113。通过优化超高真空单元的结构，调整真空腔体的结构及其光学窗口的位置、形状，可实现真空腔体内的三维磁光阱区、干涉区及探测区的一体成型，这样，不仅可有效降低钛合金腔体11的加工难度、减少加工成本，也可以保证钛合金腔体11内部的光滑度，减少抽真空过程所耗费的时间，避免了因焊缝、连接缝等导致的真空度低的问题，有利于增加测量的精确度；更重要的是，该方案也明
显有利于简化探头系统的结构，使其更为轻便、方便移动。
70.作为一种较优的实施方式，钛合金腔体11相邻侧面上的各第一光学窗口111及各第二光学窗口112均对应等高设置，且第一光学窗口111的底部高于中支撑部件，第二光学窗口112 的顶部低于中支撑部件。
71.作为一种较优的实施方式，所述第一光学窗口111的长度不小于其宽度，如图9所示，三维磁光阱的入射激光束自该第一光学窗口111注入并汇聚于钛合金腔体11内；具体地：其中一对相对的第一光学窗口111用于供两束对射的第一冷却光束3116交叉注入钛合金腔体11，同时，该第一光学窗口111之一还用于供吹送激光束注入；另一对相对的第一光学窗口111 用于供沿水平方向垂直于两个第一冷却光束3116的第二冷却光束3118注入。
72.作为一种较优的实施方式，所述第二光学窗口112的长度不小于其宽度，其中一对相对的第二光学窗口112用于供探测原子的探测激光束注入。
73.作为一种较优的实施方式，超高真空单元顶部的第四光学窗口114与钛合金腔体11底部的第三光学窗口113正对，第四光学窗口114用于供干涉激光束进入超高真空单元，该干涉激光束经第三光学窗口113下方的干涉激光束反射部件反射后返回至钛合金腔体11内。
74.作为一种较优的实施方式，所述第一光学窗口111及第二光学窗口112均包括窗片1112，所述窗片1112密封地固定于钛合金腔体11侧壁上。
75.作为一种较优的实施方式，如图6所示，所述钛合金腔体11侧壁限定有阶梯孔116，该阶梯孔116的内侧为长孔型，外侧形成向边缘扩展的与窗片1112形状适配的阶梯槽117，所述窗片1112嵌设于该阶梯槽117处。
76.作为一种较优的实施方式，参见图6，所述窗片1112与阶梯孔116之间的密封装配结构自内向外依次包括铟丝1111、垫片1113及盖板1114，其中，所述铟丝1111、垫片1113及盖板1114均为环形，所述铟丝1111贴附于阶梯槽117的表面，窗片1112嵌设于阶梯槽117内并覆盖铟丝1111，所述垫片1113及盖板1114依次覆盖于窗片1112外侧。
77.作为一种较优的实施方式，所述盖板1114粘接或通过螺栓连接于钛合金腔体11的侧壁上；优选地，盖板1114通过螺栓连接于钛合金腔体11的侧壁上。
78.作为一种较优的实施方式，如图5所示，所述钛合金腔体11顶部连接或一体成型有法兰 115，并通过该法兰115连接真空管道12。
79.作为一种较优的实施方式，所述钛合金腔体11底部与一环形压板连接，第三光学窗口 113的窗片1112嵌设于环形压板上或钛合金腔体11底部与该环形压板之间。
80.作为一种较优的实施方式，所述真空管道12的一端连接用于提供作为重力测量质量体的原子的碱金属源(优选为：铷源)，另一端与抽真空装置13连接，优选地，该抽真空装置13 包括离子泵，所述离子泵设置于上支撑部件上。
81.为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)及图7所示，所述光路结构3布设于上、中、下支撑部件上，具体地，所述光路结构包括用于实现三维磁光阱的三束激光束的第一光路结构；如图1、图2(b)所述，该第一光路结构包括第一准直装置3119及与该第一准直装置3119联结的光学组件，所述光学组件用于将第一准直装置3119发出的激光束分为两束对射的关于垂直方向倾斜45
°
的第一冷却光束3116、3117和一束对射的沿水平方向注入并与两第一冷却光束3116、3117垂直交汇的第二冷却光束3118；
82.作为一种较优的实施方式，如图2(a)和图2(b)及图8(a)所示，所述光学组件包括至少设置于上支撑部件21与中支撑部件22之间的三个基准平面上的多个光学部件，其中，第一基准平面高于三维磁光阱中心，第二基准平面与三维磁光阱中心等高，第三基准平面低于三维磁光阱中心，从而实现各光学部件在超高真空单元1外围的立体布局，这样，可有效减小三维磁光阱区的光学部件占用的体积，使该部分结构更为紧凑。此外，这种结构还可以减少准直头等器件的使用数量(本实施例中，第一光路结构中仅采用一个准直头就实现了三维磁光阱区冷却光路的布设)，从而减少重力仪探头引入光纤数量，降低装配复杂度，此外，该紧凑型光路可进一步减少探头系统的外形尺寸和重量，进一步增加重力仪的可移动性。
83.作为一种较优的实施方式，如图2和图2(b)所示，所述第一光路结构的最大直径小于上支撑面和/或中支撑面的最小直径。这样，将两束对射的第一冷却光束3116及一束对射的第二冷却光束3118的出射端距离三维磁光阱中心的距离限定于支撑部件的纵向边缘内侧，使构成三维磁光阱的第一光路结构所占用的水平向尺寸降到最小，从而进一步减少探头系统的外形尺寸和重量，进一步增加重力仪的可移动性。
84.作为一种较优的实施方式，如图7所示，所述光学组件包括第一分光装置3101、第二分光装置3102、第一反射部件3103、第四反射部件3106、第五反射部件3107、第六反射部件 3108、第八反射部件3110及第九反射部件3111；其中，第一反射部件3103和/或第四反射部件3106的作用面设置于第一基准平面上，第八反射部件3110及第九反射部件3111的作用面设置于第二基准平面上，第五反射部件3107和/或第六反射部件3108的作用面设置于第三基准平面上；且第一反射部件3103、第四反射部件3106、第五反射部件3107、第六反射部件 3108、第八反射部件3110及第九反射部件3111的作用面均正对三维磁光阱的中心；且第一反射部件3103与第六反射部件3108位于三维磁光阱中心的一侧，第四反射部件3106及第五反射部件3107设置于三维磁光阱中心的另一侧；且第五反射部件3107、第六反射部件3108 及第九反射部件3111的作用面与三维磁光阱中心之间均设置有用于改变光束相位从而使对射的光束相互反相的相位调整部件；
85.所述第一分光装置3101与第一准直装置3119联结，用于将第一准直装置3119发出的激光束分为传播方向相互垂直的第一次级光束a和第二次级光束b，其中，所述第一次级光束a 直接或间接地入射至第二分光装置3102，第二次级光束b直接或间接地入射至第一反射部件 3103的作用面上，所述第二次级光束b被第一反射部件3103反射后沿斜向下45
°
方向传播并顺次贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件后垂直地入射至第五反射部件3107的作用面上，所述第五反射部件3107将第二次级光束b反射回原路从而形成一束与垂直方向呈 45
°
对射的第一冷却光束3116；
86.所述第一次级光束a被第二分光装置3102分为传播方向相互垂直的第三次级光束c和第四次级光束d，所述第三次级光束c直接或间接地入射至第四反射部件3106的作用面上，该第三次级光束c被第四反射部件3106反射后沿斜向下45
°
方向传播并贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件后垂直地入射至第六反射部件3108的作用面上，所述第六反射部件 3108将第三次级光束c反射回原路从而形成另一束与垂直方向呈45
°
对射的第一冷却光束 3117；
87.所述第四次级光束d直接或间接地入射至第八反射部件3110的作用面上，并被第
八反射部件3110反射后沿垂直于两冷却光束的水平方向贯穿三维磁光阱中心及相应的相位调整部件后垂直地入射至第九反射部件3111的作用面上，所述第九反射部件3111将第四次级光束d 反射回原路从而形成沿水平方向对射的第二冷却光束3118。以上这种结构可使第一反射部件 3103、第四反射部件3106能够向距离三维磁光阱的中心距离更近的方向设置，确切地说，是可使第一反射部件3103及第四反射部件3106距离三维磁光阱中心所在竖轴的水平距离更近，第一反射部件3103及第二反射部件3104距离三维磁光阱中心所在水平面的竖直距离也会更近，这样，整个第一光学结构中的多个光学组件可进一步向距离三维磁光阱中心更近的方向移动，即第一光路结构的布局更加紧凑，减少探头系统的外形尺寸和重量，进一步增加重力仪的可移动性。
88.作为一种较优的实施方式，所述第一光路结构还包括第二反射部件3104、第三反射部件 3105及第七反射部件3109；
89.其中，所述第二反射部件3104及第三反射部件3105设置于第三次级光束c的传播路径上，用于改变第三次级光束c的传播方向，使其在避让三维磁光阱的同时，传播至三维磁光阱的对侧；
90.所述第七反射部件3109设置于第四次级光束d的传播路径上，用于直接或间接地将该第四次级光束d反射至第八反射部件3110上。
91.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)、图7及图8(a)
‑
(c)所示，所述第一分光装置3101、第二分光装置3102、第一反射部件3103、第二反射部件3104、第三反射部件3105及第四反射部件3106的作用面均设置于第一基准平面上，所述第五反射部件3107 及第六反射部件3108的作用面均设置于第三基准平面上，所述第七反射部件3109、第八反射部件3110及第九反射部件3111的作用面均设置于第二基准平面上；其中：
92.作为一种较优的实施方式，如图8(a)
‑
图8(c)及图9所示，所述第一分光装置3101 设置于三维磁光阱一侧，其将入射的激光束分为沿三维磁光阱一侧继续向前传播的第一次级光束a及水平地向远离三维磁光阱方向传播的第二次级光束b；所述第一反射部件3103与第一分光装置3101相邻，且其作用面位于第二次级光束b的出射方向上；
93.作为一种较优的实施方式，如图8(a)
‑
图8(c)所示，所述第二分光装置3102与第一分光装置3101相邻，其直接或间接地接收第一次级光束a，并其将该第一次级光束a分为向下传播的第四次级光束d及与第二次级光束b平行但反向传播的第三次级光束c；
94.作为一种较优的实施方式，如图8(a)
‑
(c)所示，所述第二分光装置3102、第二反射部件3104、第三反射部件3105沿三维磁光阱的外部周向顺次设置，同时，且所述第二反射部件3104与第三反射部件3105均设置于第三次级光束c的传播路径上，同时，第二反射部件3104与第三反射部件3105的作用面相互平行，从而引导第三次级光束c连续转向，使其避让三维磁光阱后水平地入射至第四反射部件3106上；
95.作为一种较优的实施方式，如图8(b)
‑
图8(c)及图9所示，所述第七反射部件3109 设置于第二分光装置3102下方且与第八反射部件3110相邻，用于将自第二分光装置3102向下发出的第四次级光束d反射成沿水平方向传播的、直接或间接地入射至第八反射部件3110 作用面上的光线。
96.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)所示，所述第一分光装置3101、第二分光装置3102、第一反射部件3103、第二反射部件3104、第三反射部件3105及第四反射部件
3106均通过安装座倒装于上支撑部件的底部。相应地，所述第一反射部件3103、第二反射部件3104、第三反射部件3105、第四反射部件3106、第五反射部件3107、第六反射部件3108、第七反射部件3109、第八反射部件3110、第九反射部件3111、拉曼光反射装置3202 及探测光反射部件3402均包括相应的光学镜片及用于固定所述光学镜片的安装座，如图8(c) 所示，所述第五反射部件3107与三维磁光阱中心之间的相位调整部件包括第四四分之一波片，所述第六反射部件3108与三维磁光阱中心之间的相位调整部件包括第五四分之一波片；所述第九反射部件3111与三维磁光阱中心之间的相位调整部件包括第六四分之一波片。
97.作为一种优选的实施方式，如图8(c)所示，所述第一分光装置3101包括第一二分之一波片31011、第一四分之一波片31013及第一偏振分光棱镜31016，其中，所述第一二分之一波片31011设置于第一偏振分光棱镜31016与第一准直装置3119之间，第一四分之一波片 31013设置于第一偏振分光棱镜31016与第一反射部件3103之间。
98.作为一种优选的实施方式，所述第二分光装置3102包括第二二分之一波片31012、第二四分之一波片31014、第三四分之一波片31015及第二偏振分光棱镜31017，其中，所述第二二分之一波片31012设置于第二偏振分光棱镜31017与第一偏振分光棱镜31016之间，第二四分之一波片31014设置于第二偏振分光棱镜31017与第七反射部件3109之间，所述第三四分之一波片31015设置于第二偏振分光棱镜31017与第二反射部件3104之间。
99.作为一种优选的实施方式，所述第二分光装置3102还连接有光功率监控部件6。
100.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)及图7所示，所述第二光路结构3 包括设置于上支撑部件21上的拉曼光准直调整装置3201及设置于下支撑部件23上的拉曼光反射装置3202；
101.所述拉曼光准直调整装置3201用于调节拉曼光的出射方向，使该出射方向与重力场重合；所述拉曼光反射装置3202用于将第二激光束反射回原路从而生成叠加的拉曼带以诱导原子发生干涉。
102.作为一种较优的实施方式，所述拉曼光准直调整装置3201包括第二准直装置及固定其的准直架，所述准直架用于调整第二准直装置的光线出射方向；所述拉曼光反射装置3202包括拉曼反射镜及固定其的调整架，所述调整架用于调整拉曼反射镜的镜面方向，使该镜面反射的光束与第二激光束重合。
103.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)及图7所示，所述第三光路结构包括设置于中支撑部件上的第三准直装置3301及与其相邻的吹送光反射部件3302，所述第三准直装置3301用以提供第三激光束，吹送光反射部件3302将该第三激光束反射至三维磁光阱的中心，这样，在微波选态及拉曼速度选择时，吹除磁子能级不为0的以及高温的原子，从而选择出磁子能级为0的以及速度较低的原子。
104.作为一种较优的实施方式，如图1、图2(a)
‑
(b)及图7所示，所述第四光路结构包括固定于下支撑部件上的第四准直装置及与其关联的探测光反射部件3402，第四准直装置用于提供探测原子位置的第四激光束，其中，所述第四准直装置与量子绝对重力仪的探测区正对，探测光反射部件3402设置于第四准直装置的对侧，该第四光路结构用于探测f＝2态， f＝1态原子。
105.作为一种优选的实施方式，如图1、图2(a)、(b)所示，所述磁场单元配置于中支撑部件处，其包括三维磁光阱线圈71及c场线圈，其中，如图1及图9所示，三维磁光阱线圈 71
包括分别固定于真空腔两侧一对反亥姆霍兹线圈，其提供一个梯度约为10gauss/cm的磁场；c场线圈包括沿竖直方向延伸的亥姆霍兹线圈，其提供一个约300mg的均匀磁场。
106.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括磁屏蔽单元，其环绕于探头外围，用于屏蔽重力测量环境中的干扰磁场，优选地，该磁屏蔽单元采用坡莫合金制作。
107.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括微波单元，该微波单元产生微波，该微波用于筛选出处于对磁场不敏感的态的原子。
108.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括原子数监控装置4，其设置于中支撑部件上，且与三维磁光阱中心正对，用于监控捕获到的原子的数量。
109.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括荧光收集装置，该荧光收集装置与其中一个第二光学窗口112正对。
110.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括倾斜计5，该倾斜计5设置于下支撑部件上，用于辅助垂直方向的确定及调整。
111.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括加速度计，其用于采集实时的振动信号。
112.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括水平调节底座，该水平底座设置于测量部分及支撑架2的下方，可以通过调节水平调节底座的倾斜角度来调整整个测量部分与重力场的重合度，优选地，所述水平调节底座包括的调节板及设置于其下方的呈正三角形分散分布的三个螺钉，通过调节螺钉的进深来调节重力仪探头与重力场的重合度。
113.作为一种较优的实施方式，所述探头系统还包括隔振平台，该隔振平台设置于水平调节底座下方，其上配置有拉曼光反射装置3202的调整装置，同时隔离下方承载面的随机振动噪声。
114.本实用新型基于的基本原理是：在真空环境中，在磁场和光场的相互作用下，将碱金属(以铷原子为例)冷却至10微开量级的冷原子。接下来关闭磁场和光场，冷原子在重力场作用下进行自由落体运动，在这个过程中首先进行量子态制备，制备完成后待冷原子进入干涉区后开启拉曼光，使冷原子团产生物质波干涉。待冷原子团继续下落至干涉区时，采用归一化荧光探测收集原子信号。最终通过振动补偿、倾斜校正、系统误差消除等方法得到绝对重力加速度值。基于这一原理，本实用新型的实施过程一般可分为：仪器调节、冷原子装载、量子态制备、冷原子干涉、归一化探测、震动补偿、倾斜校正及系统误差消除8个步骤；具体如下：
115.仪器调节步骤：
116.首先调节水平调节底座，观察底座上的水平仪中的水泡，使重力仪处于水平状态。然后将拉曼光出光口加一个光阑，光阑孔尽可能小。底部隔振平台放置一个装有水的盒子。调节拉曼光准直装置，使拉曼反射光与入射光重合。此时拉曼光准直调整装置3201发出的第二激光束与重力方向重合。接下来拿掉装水的盒子，将拉曼光反射镜调整装置安装在隔振平台上，调节拉曼光反射镜调整装置，使反射光与入射光重合。
117.冷原子装载步骤：
118.由前述可知，三维磁光阱由三对对射的冷却光和一对反亥姆霍兹线圈组成，冷却光包含两对与垂直方向呈45
°
的第一冷却光束3116、3117和一对水平方向的第二冷却光束3118。对射的两束第一冷却光束3116、3117互为相反的圆偏振光。原子在三维磁光阱的作用
下逐渐被冷却捕获，这一过程称为多普勒冷却。多普勒冷却结束时，原子温度降到100μk量级时，进行偏振梯度冷却，进一步降低原子团温度。同时，利用原子数监控系统，可以实时采集原子荧光信号，并转化成电信号，可以计算出捕捉的原子数目。
119.量子态制备步骤：
120.原子团捕捉完成后，接下来需进行量子态制备。量子态制备分为两步：一是微波选态；二是拉曼速度选择。微波选态的目的是选出对磁场不敏感的态，拉曼速度选择的目的是在竖直方向上减少原子团速度分布，获得更低温的原子。为了屏蔽地磁场等杂散磁场的影响，此过程必须在磁屏蔽罩内进行。首先先打开c场以定义量子化轴，其方向与拉曼光方向平行，然后，通过两个微波π脉冲和一个拉曼π脉冲实现原子在各个能态上的转移，并结合第三激光束(即吹送激光束)清除其它磁子能级上的原子，最终实现量子态制备。
121.冷原子干涉步骤：
122.量子态制备完成后，冷原子团进入干涉区，在竖直方向上作用拉曼光，通过三束拉曼脉冲序列π/2—π—π/2使原子波包干涉分束、偏转、合束，最终引起原子物质波干涉。
123.归一化荧光探测步骤：
124.原子下落到探测区域时，采用归一化荧光探测的方法收集原子信号。原子落到第一束探测光驻波时，f＝2态上的原子发出荧光，并被原子荧光收集系统收集，经光电转换与放大送至高速数据采集卡，可认为是f＝2态的原子布居数p2。探测完成后，吹走f＝2态上的原子。f＝1态上的原子继续下落，经过再泵浦光的作用重新制备到f＝2态上，并被下方探测光探测，可认为是f＝1态的原子布局数p1。归一化原子数可写为p＝p2/(p2 p1)，利用归一化探测的方法可消除原子数抖动的影响。
125.振动补偿步骤：
126.地面竖直方向的随机振动加速度导致拉曼光反射镜振动，从而影响测量结果。拉曼光反射镜调整装置放置在隔震平台上，可以隔离地面的随机高频振动噪声。同时加速度计采集实时的低频振动信号，通过主动反馈的方式进行补偿，可以提高重力测量灵敏度。
127.倾斜校正步骤：
128.倾斜计5放置在下支撑板23上，测量下支撑板23水平两个方向上的倾斜角度，测量分辨率小于1微弧度，x和y方向的倾斜角度实时输出，并被计算机高速采集，主要用于垂直方向的确定和调整，辅助修正绝对重力测量。
129.系统误差消除步骤：
130.通过反转拉曼光波矢、拉曼光功率减半、180
°
反转探头，并结合固体潮、海潮模型、实时测量大气压数据以及实时计算极地坐标等方式消除系统误差，最终拟合得到绝对重力加速度值。
131.此外，需要说明的是：
132.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
133.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是
示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。