原子光学

英国和新加坡科学家携手推出一种非侵入性光学测量方法，检测纳米物体位置时达到原子级分辨率，比传统显微镜高出数千倍。最新研究使科学家能以十亿分之一米的比例表征系统或现象，开辟了皮光子学研究新领域，也为其他领域研究提供了令人兴奋的新可能性。相关研究论文刊发于最新一期《自然材料学》杂志。　　光学成像和计量技术是生物医学和纳米技术研究领域的关键工具。最新研究负责人之一、南安普敦大学尼古拉哲鲁德夫指出，自19世纪以来，提高显微镜空间分辨率一直是一大趋势，科学家们的梦想是开发出能够用光探测原子级事件的技术。　　在最新实验中，哲鲁德夫团队通过收集波长为488纳米的拓扑结构光，散射在17微米长、200纳米宽的悬浮纳米线上的衍射图案的单次拍摄图像，展示了原子尺度的计量学。　　随后，他们在纳米线被放置在301个不同位置时出现的散射图案的单次拍摄图像数据集上，训练了一种深度学习算法。经过训练，该算法可根据团队传感器记录的散射光模式来预测给定纳米线的位置。　　在该团队的原理验证实验中，他们的光学定位计量方法表现非常好，以92皮米的亚原子精度解析了悬浮纳米线的位置。

日前，中科院长春光机所在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795nm和894nm 垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该器件采用完全自主的结构设计、材料生长和芯片工艺研制而成，芯片体积仅为0.05立方毫米(0.5mmx0.5mmx0.2mm)。器件高稳定单模态激光输出高于0.2毫瓦，工作电流低于1.5毫安，功耗低于3毫瓦，工作温度超过100℃，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。 　　基于原子光学技术的精密传感需要一些特定的波长(如795nm和894nm等)并且满足窄线宽、低功耗、可直接调制、单模和稳定偏振态的光源来激发碱金属原子。传统灯泵浦光源方案的传感器存在的体积大、功耗高、稳定性差等问题一直是困扰原子光学传感器小型化的主要难题。垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为一种新型的半导体激光器，具有窄线宽、低功耗、高调制频率、小体积和容易集成等特征，因此基于VCSEL的相干布居俘获(CPT)方法使得原子光学器件的微型化和低功耗应用成为可能。 　　目前，国外只有个别实验室和公司具有制作该类原子光学传感器专用VCSEL的能力。中科院长春光机所大功率半导体激光组在十余年研究基础上成功制备出性能符合要求的VCSEL器件，为国内原子传感器的研制提供了必需的核心元器件并掌握了自主知识产权，目前正在与国内相关单位开展合作研究，促进芯片级原子传感器的产品开发。这些产品将应用于航天、国防以及民用领域，例如：精密计时技术、单兵卫星精确定位，长航时远距离惯性导航，高灵敏度水下金属磁场测量等。 　　 795nm VCSEL 芯片(左)和TO46封装器件(右)

日前，两套全新定制型Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在国内完成安装，两套设备将用于低温光学原子钟的相关研究。这是Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在国内的又一全新应用方向。超稳定的激光是现代高精度测量科学的重要手段之一。高度相干的稳定激光可以被应用于引力波探测、射电天文学、低相位噪声的微波合成器。近几年来，超稳定激光新的用途是用于精确记录时间流逝的原子钟。原则上原子钟的极限准确度仅受限于只有几个毫赫兹的激光带宽。然而这就要求了全新一代超稳定的激光器需要达到10-18的稳定度。近年来，人们研究发现在低温硅腔中的激光器具有非常高的稳定性，将工作温度降至4 K时可提供诸多优势。首先，涂层热噪声在4 K时显著降低，不稳定性降低至10&minus 18水平；其次热膨胀（CTE）在极低温时迅速减小，进一步减少了温度波动的影响。超精细多功能无液氦低温光学恒温系统中的光学腔尤其适用于超高精度的原子钟系统以及需要特殊超高稳定度的精密低温光学实验。自2017年科研人员基于Montana搭建了超稳定光学微腔并将重要的结果发表在PRL期刊以来，Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在超稳定光学微腔方面的应用引起了全球科学家广泛的兴趣。光学微腔低温系统的样品腔结构示意图*用于光学微腔的Montana超稳定低温光学系统示意图*日前，由Montana Instruments公司根据我国用户的要求全新打造的两套超高稳定性光学微腔低温系统已完成安装并交付使用。系统将用于基于光学微腔的原子钟相关的超高精度科学实验。基于Montana S200型超精细低温光学系统定制的用于光学微腔低温系统外观图该系统可以实现优于mK级的温度稳定性和超低振动，为超精密的光学实验提供稳定的环境。系统可以设计多个光学窗口和多种电学通道，满足用户的各种光电测量需求。因此该系统不仅适用于光学微腔实验，还适用于多种需要超稳定低温环境的精密光学、电学实验。* Ultrastable Silicon Cavity in a Continuously Operating Closed-Cycle Cryostat at 4 K, PRL 119, 243601 (2017)Montana超精细多功能无液氦低温光学系统先进光学恒温器制造商Montana Instruments多年来为低温光学、量子信息等领域提供高性能的光学恒温器而广受赞誉。作为低温光学恒温器的旗舰产品，Montana Instruments在S系列基础上推出了全新型号CryoAdvance系列。该系列的目标是助力科技工作者在先进材料和量子信息领域的研究更上一层楼。CryoAdvance 新特色☛ 自动控制：全新智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。☛ 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。☛ 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。☛ 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。CryoAdvance 50主要参数☛ 低温极限：3.2K☛ 震动稳定性：☛ 水平光路高度：140 mm☛ 窗口材料：多种材质可选☛ 基本电学通道：20条直流通道。☛ 接口面板：双RF接口+25DC接口Cryostation® s200系统s200系统具有超大的样品腔，可满足多种低温光学实验方案和高度定制化的个性化实验方案。☛ 低温极限：3.6K☛ 震动稳定性：☛ 接口面板：多种接口可选相关产品1、超精细多功能无液氦低温光学恒温器