同时测量

2月22日，记者从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授合作，在量子精密测量实验中，首次实现了两个参数同时分别达到“超海森堡极限”和海森堡极限的最优测量。研究成果日前在线发表在国际知名期刊《物理评论快报》上，并被选作该期的封面文章。精密测量的精度随着消耗的资源增加而提高，数学上用T-k来描述，其中T为资源（如测量时间），k是评价不同测量方法优劣的最重要标准精度增长阶数。在诸如相位估计、磁力仪和量子陀螺仪等众多应用中，研究发现k在经典测量方法和量子测量方法中分别是0.5和1，分别被称作散粒噪声极限和海森堡极限。然而，存在多体相互作用或含时演化的情况下，人们发现k可以超越1，称之为“超海森堡极限”。目前这三种不同的精度极限在单参数量子测量实验中已经分别得以实现，但是海森堡不确定性关系是量子力学的根本限制，“超海森堡极限”是否真的是超海森堡仍存在争议。研究人员采用近年来着力发展的多参数量子精密测量平台，研究测量旋转场的强度和频率两个参数中“超海森堡极限”和海森堡极限是否可以同时达到的问题。他们将控制增强的次序测量技术进一步发展到多参数含时演化的测量中，通过优化量子系统动力学演化各个部分，实现了两个参数同时分别达到海森堡极限和“超海森堡极限”的最优测量，并阐明这两种精度极限都遵从海森堡不确定性关系，都是最优的量子精度极限。该项成果加强了量子精密测量与海森堡不确定性关系两个领域的联系，促进了这两个领域的交叉发展，并且在实际测量问题中具有重要潜在应用价值。《物理评论快报》相关审稿人认为“这是一个具有足够的新颖性和价值的扎实的工作”。

在科学实验领域，精准的元素分析一直是研究人员追求的目标。随着技术的不断进步，一款全新的原子荧光光度计应运而生，具备双道两元素同时测量的能力，广泛适用于砷、汞、硒、锡、铅、铋、锑、碲、锗、镉、锌、金等十二种元素的痕量分析。先进技术，实现双元素同时测量这款原子荧光光度计采用了创新的技术设计，使得双道两元素可以同时测量。这一特性不仅提高了实验效率，还拓展了分析的广度，使得在一次实验中可以获取更为全面的元素信息。空芯阴极灯技术的巅峰应用引领着光源技术的潮流，该光度计采用了空芯阴极灯，并创新性地采用了新式脉冲调制/恒流驱动供电方式。这种技术不仅提高了光源的稳定性，还使得仪器在分析过程中能够更加准确地获取信号，为精准元素分析奠定了坚实基础。流动进样，保障实验准确性仪器使用断续流动进样装置，有效避免了样品交叉污染，确保了测量的准确性。具备载气稳流装置，可以在线消除硼氢化钾产生的气泡，同时降低试剂间的扩散效应，提高了仪器的稳定性。这对于繁琐的样品，如岩矿和土壤等，尤为适用。创新气路设计，降低运行成本原子荧光光度计采用了新型节气型气路设计，实现了随时控制关闭气源，从而节约氩气用量，降低了仪器的运行成本。电路方面采用了强、弱电分离及最新型高集度模块，稳流分离式气路发生装置，保障了仪器的高效运行。先进原子化技术，实现更全面分析为了更好地满足多样化样品的需求，该光度计采用了密闭式石英原子化器和低温炉原子器，确保了化学反应更加完全，气液分离效果更佳，特别适用于岩矿、土壤等复杂样品的测定。实时观察，直观分析仪器设计了外置滤光氩氢火焰实时观察窗，用户可以直接对火焰状态进行实时观察，为实验提供了更直观的反馈，有助于调整实验条件以获得更精准的分析结果。这款原子荧光光度计以其先进的技术和创新的设计，为痕量元素分析领域带来了全新的可能性。其双元素同时测量、空芯阴极灯技术、流动进样等特性，使得实验变得更为高效和准确。这一创新科技的应用，必将成为元素分析领域的一项重要工具，为科学研究提供更为可靠的支持。

近日，来自韩国科学技术院的Jungwon Kim团队，通过利用频率梳的电光采样，展示了一种能够同时测量超过1000个空间坐标的飞时变化的相机。这一研究成果能够对三维设备中的复杂结构和动力学过程进行精确而快速的成像，具有极高的研究与应用价值。该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Massively parallel electro-optic sampling of space-encoded optical pulses for ultrafast multidimensional imaging”，Yongjin Na为论文的第一作者。光学成像和测量技术在现代科学技术中至关重要，其应用范围及其广泛，诸如振动模式测量，体内生物医学成像和自动驾驶技术等技术的发展，都离不开光学成像和测量技术的进步。尤其是快速准确地实现对微米和纳米级设备的表面轮廓的成像，对研究这类设备的静态和动态属性起着关键性作用。在静态属性方面，在越来越大的晶圆面积上进行更高动态范围和更高数据量的尺寸测量对半导体工业愈发重要。到目前为止，已经使用了使用干涉测量法和共聚焦显微镜来实现对表面的测量，但是，这些方法在测量范围（通常小于几微米）和速度（通常需要数百秒来完成成像）方面都仍然具有相当的局限性。而在动态特性方面，准确表征微和纳米机械设备中的振动和动态行为对于理解基础物理学和推进其应用至关重要。尤其是新近被发现的各种非线性、瞬态和复杂的机械动力学，例如微米和纳米机械谐振器中的非谐振动、脉冲光机械等等，都需要具有更精细的轴向和横向分辨率、更高速度和更高动态范围的实时表面变形成像。在这一问题上，相干干涉仪和白光干涉仪因其纳米级的轴向分辨率和可靠性而被广泛使用。但是，这些技术也存在亚微米的模糊范围和低动态成像的速率等局限性。因此，无论是静态还是动态的微观表面成像，都存在着成像质量和速率上的缺陷，如果能解决这个问题，无疑能让光学测量技术以及微机械技术向前迈进可观的一步。在本研究中，研究人员搭建了一种基于电光采样的新型线扫描飞行时间 (TOF) 成像技术，能够捕捉具有高动态范围的微型设备的静态和动态特性（图一）。该方法能够实现高像素率（高达 260 兆像素/秒）、高轴向分辨率（低至 330 pm）（图二，图三）和高动态范围（高达126dB）（图四），并且能够同时检测数毫米视场(FOV)上超过1000 个空间坐标的TOF变化范围。这种前所未有的性能优势不仅可以在不需要太多先验知识的情况下对复杂结构进行快速和精确的成像，还可以实时观察微型设备和机械谐振器中快速和非重复的机械运动，对微测量领域的发展具有极其重要的意义。图一：基于电光采样的线扫描TOF相机的工作原理。将锁模Er-光纤振荡器作为光学频率梳的源。使用MUTC光电二极管生成的超低抖动光电流脉冲，来生成时间尺。在目标成像过程中，光脉冲被扩展，并进行谱色散以实现空间-波长编码。从目标物体反射后，TOF编码的子脉冲被收集并在 EOS-TD中进行TOF到强度的转换。最后使用线扫描相机分析EOS-TD输出光谱，以同时重建超过1000个空间点的TOF信息。图二：线扫描TOF方法的轴向和横向分辨率的分析。(a) 对TOF精度的测量，重叠艾伦偏差（overlapping Allan deviation）关于采集时间的函数。图中展示了 4 V、8 V和16 V（不饱和和饱和相机条件）的三个MUTC 光电二极管偏置电压。插图：相对于光脉冲和光电流脉冲上升沿之间的相对时间的归一化 EOS-TD 输出，展示了4 V、8 V 和 16 V（不饱和）和 16 V（饱和）偏置电压的可测量范围分别为 3 毫米、1.6 毫米、1.2 毫米和 0.4 毫米。(b) 在10 ms采集时间（16 V 偏压，不饱和相机）每个像素位置的TOF 精度测量。(c)以30毫米焦距聚焦时测得的光束轮廓。(d)分辨率目标的显微成像。右上图中显示了第6组和第7组的放大图像（左侧图中的红色框）。如单线扫描轨迹所示，第6组中元素 6 的三个条具有约23%的对比度，从而产生约 114 lp/mm（4.38μm）的横向分辨率。图三：3D表面轮廓成像结果。(a) 相同材料（碳化铬）的两个量块的表面轮廓成像。如从点 A到 A' 的横截面图所示，可以清楚地测量到300 μm的台阶高度。灰色区域表示量块的边缘，由于来自两个表面的反射，TOF 在此处具有模糊性。台阶高度（点 I和II之间）确定为 300.029 μm，重复误差（在100 μs 采集时间下 100 次连续测量的标准偏差值）为 31 nm，与校准干涉仪结果的误差为 +31 nm。(b) 不同材料组装成像结果；附在陶瓷光学平面上的两个钢量块。测得的500μm 阶高 (II - I) 具有93 nm 的重复误差（100 μs 采集时间）和校准干涉仪结果的-22 nm 误差。(c) 复杂周期结构的表面轮廓成像（涂有100 纳米厚的银的硅样品）。一对f = 60 mm 镜头用于得到更好的空间分辨率。区域 I 中TOF点的直方图展示了10.039 μm平均高度差，与共聚焦显微镜结果相比有-14 nm 误差。插图：样品的显微图像 (2.5X)。图四：动态成像结果。(a) 两个附有PZT的镜子之间的相互作用。f = 75 mm镜头用于约10 mm的水平FOV。两个PZT的驱动持续时间约为100毫秒，延迟约为25毫秒。下方的图依次显示了调制开始、相互作用瞬态、稳态和调制结束时重建的TOF迹线。(b) 对MEMS 桥弯曲模态形状的实时观察。14 束光束尺寸约为 8 μm，FOV约为880 μm的光束沿桥的长边入射。测量了前五个弯曲模式（从4.0 kHz 到80.9 kHz）的共振运动。14 个局部位置的TOF用红点表示，点之间的TOF曲线是用样条法插值的。插图中展示扫描电子显微镜的成像结果。