应用分享｜如何用激光操控原子来研制量子惯性传感器

伯明翰大学的研究团队开发出了全球便携的量子重力梯度仪，其成功的关键因素之一是采用了结构紧凑，性能稳定的光纤激光器。

原子操纵技术经历了20年的发展，科学家们已经能够利用物质的量子特性来制造精密的惯性传感器。

在重力测量系统中，基于物质量子特性的传感器能够实现极优的系统灵敏度，它与量子钟联合使用来进行测量。不同类型的量子传感器可以实现不同物理量的精密测量，比如角速度测量、加速度测量、磁场测量、光场的测量等。如图1所示。

量子测量仪器按照如下结构制造：1.传感头，对高真空环境中的原子进行探测；2.磁场环境，由线圈和屏蔽层组成，能控制施加在原子上的磁场强度；3.激光系统，可通过特定的光学设计对原子进行冷却和操纵；4.微波链，用于产生激光系统所需的频率；5.控制器，用于设置时序并采集数据。

重力梯度仪通过测量重力梯度来绘制地下密度异常图，它能在距离较远信号较弱的条件下提供重力信息，同时对地质密度波动更加敏感。

为此，用同一束激光测量两个不同的冷原子团，获取其垂直加速度，如图2所示。该方法可抑制两个冷原子团的共模噪声，让重力梯度仪能够在噪声环境（如车载行进时）中进行测量。

量子重力梯度仪是进行产业升级的首要选择，因为其具备量子测量仪器的优异性能，可抑制冷原子团共模噪声，不受环境干扰进行测量。

英国量子技术中心依托于伯明翰大学，与业界合作开发了79个项目，项目总额高达6200万英镑，共取得了132项创新记录。其主要目标之一是发展紧凑型的量子重力梯度仪，不断改进系统，适合产业化发展。

量子重力梯度仪基于冷却的铷-87原子。系统采用激光束对铷原子团（10⁸个原子组成）进行冷却和捕获。原子团冷却的步骤为，首先通过磁光阱对原子进行俘获，然后形成光学粘团并通过激光多普勒制冷使温度达到4μK。

为了进行探测，垂直排列的激光束将原子置于量子叠加状态。然后，经过一段时间的演化，激光脉冲将它们重组（几微秒）。

进行探测时，在垂直排列激光束的作用下，原子团处于量子叠加态。随后，经过一段时间的演化（几微秒），原子团被激光脉冲重组。

原子干涉仪的输出结果取决于激光频率啁啾补偿原子自由落体加速度引起的多普勒频移的能力。

该系统要求激光器具有高的频率稳定性，NKT Koheras E15激光器可通过光谱吸收方法将频率进行锁定。激光器的强度噪声、线宽和频率特性直接影响原子干涉仪的输出相位，因此要求激光系统具有极低的噪声参数，以免产生额外的噪声。

量子重力梯度仪要求激光器有快速的频率调制（调制深度：100MHz，调制器速率：1kHz）、窄线宽（<1kHz）、低的相位噪声和低的相对强度噪声。另外，该系统对激光的偏振有较高的要求，因为原子的跃迁效率取决于入射激光的偏振特性。

上述的激光系统采用了光纤倍频技术，使仪器更紧凑、牢固且便于运输。激光器频率可由电光调制器（EOM）或同相/正交相位调制器（IQM）进行移频或改变。

激光输出功率由Koheras-BOOSTIK模块放大至2W，之后由声光调制器（AOM）进行脉冲调制，然后通过二次谐波生成器将激光波长从1560nm倍频到780nm。

伯明翰大学也在探索其他的原子操控技术，例如光晶格技术。同时，也在研究如何更好地利用大动量转移来探测原子，例如使用高功率倍频激光系统Koheras HARMONIK。

伯明翰大学的重力梯度仪是当前世界上便携的量子重力梯度仪，其被用于探测地下隧道，如图3所示。

该仪器在土木工程的地下无损测图中展现了良好的应用价值。通过创新英国（Innovate UK）资助的Grant Gravity Pioneer项目，目前已对该仪器进行了产业化。

为了研究惯性导航方面的应用，我们正在努力使系统变得更紧凑。研究如何制造更小的传感头，并在无人机上测试磁光阱俘获原子团，如图4所示。

接下来，我们将探索新的方法，希望在更紧凑的结构中获得更高的灵敏度。