應(yīng)用探究|PPLN波導(dǎo)賦能量子重力傳感：星載冷原子干涉儀應(yīng)用

摘要

基于MgO:PPLN波導(dǎo)的1560nm至780nm高效倍頻技術(shù)，冷原子干涉技術(shù)通過銣原子冷卻與物質(zhì)波干涉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于重力加速度的精密測(cè)量。憑借由昊量光電代理的英國(guó)Covesion PPLN波導(dǎo)在惡劣環(huán)境下的魯棒性，當(dāng)擔(dān)重力儀中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生冷卻光和拉曼光的重任。

重力是地球生命熟悉的自然力量，它塑造著我們的shi界——從腳下土壤的微妙變化到宇宙天體的運(yùn)行軌跡。為了精確捕捉這些重力場(chǎng)，重力儀應(yīng)運(yùn)而生，專門用于測(cè)量地球或者其他天體表面的重力加速度及其微小變化。為地球科學(xué)、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)和空間科學(xué)等領(lǐng)域提供了重要數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的重力儀基于經(jīng)典物理，包括測(cè)量附著質(zhì)量后彈簧的伸長(zhǎng)量或通過激光測(cè)量自由下落的角錐棱鏡加速度等方法，盡管這些技術(shù)已經(jīng)獲得了極大的改進(jìn)與優(yōu)化，但它們?nèi)钥赡艹霈F(xiàn)漂移，并且容易受到制造和維護(hù)公差的影響，例如機(jī)械磨損。

隨著量子與激光技術(shù)的發(fā)展，激光冷卻技術(shù)可將原子冷卻甚至接近絕對(duì)零度，捕獲并且操控原子，這些技術(shù)為冷原子干涉儀（Cold atom interferometers, CAIs）奠定了基礎(chǔ)。憑借其較高靈敏度，優(yōu)良的穩(wěn)定性以及較小的漂移等特點(diǎn)，被應(yīng)用于加速度計(jì)、陀螺儀、重力儀等新型慣性傳感器。利用冷原子的物質(zhì)波特性，通過物質(zhì)波干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度的精密測(cè)量，以原子在重力場(chǎng)中的相位變化，反演重力場(chǎng)的微小變化。重力儀采用了馬赫-曾德爾干涉儀的結(jié)構(gòu)，用物質(zhì)波替代了光波，具有更高的相位敏感度。通過拉曼脈沖序列（π/2-π-π/2）實(shí)現(xiàn)冷原子的相干操控，分別發(fā)生分束、反射和合束，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)波干涉。

圖1 拉曼光脈沖原子干涉儀原理示意圖

下圖所示的是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的自由下落式冷原子重力儀方案。2D MOT中得到的冷原子源被傳輸至3D MOT中，將原子進(jìn)一步冷卻至微開（μK）量級(jí)。隨著3D MOT磁場(chǎng)和冷卻激光的關(guān)閉，原子被釋放并在重力作用下自由下落。在下落的過程中，上方發(fā)射的拉曼脈沖序列，經(jīng)過原子的選態(tài)、干涉和探測(cè)后，從干涉條紋推算出重力加速度g的微小變化。

圖2 冷原子重力儀示意圖

Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat

CASPA（Cold Atom Space PAyload）項(xiàng)目由Innovate UK和工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）資助，伯明翰大學(xué)擔(dān)任科學(xué)牽頭方，聯(lián)合XCAM、Clyde Space、Covesion、Gooch & Housego和南安普頓大學(xué)共同參與。其核心內(nèi)容是在一個(gè)6U 立方體衛(wèi)星CubeSat上的星載冷原子阱系統(tǒng)，將原子冷卻至微開爾文量級(jí)，為未來地球觀測(cè)任務(wù)中的重力儀奠定了基礎(chǔ)。在光學(xué)子系統(tǒng)內(nèi)搭載的倍頻器（Frequency Doubler）產(chǎn)生冷卻銣原子所需的780nm的激光。該倍頻是由PPLN波導(dǎo)所實(shí)現(xiàn)的，將通信波段的1560nm的光在惡劣的太空環(huán)境中進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換。在下一篇《白pi書|PPLN應(yīng)用于惡劣環(huán)境中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中》，我們將具體來看看Covesion針對(duì)惡劣環(huán)境中PPLN的性能測(cè)試，在機(jī)械振動(dòng)、電氣等環(huán)境測(cè)試下的魯棒性表現(xiàn)，這些對(duì)于量子計(jì)時(shí)與傳感等應(yīng)用至關(guān)重要。

圖3 由Covesion和南安普頓大學(xué)制造的PPLN脊型波導(dǎo)的照片

A Single-laser System for Mobile Cold Atom Gravimeter

在冷原子重力儀中，除了原子冷卻光通過倍頻得到，在冷原子干涉儀中用作操控原子的拉曼光同樣也能通過倍頻產(chǎn)生。這篇詳細(xì)介紹了一種基于1560nm光纖激光的冷原子干涉重力儀，為了在野外環(huán)境下也能獲得較為穩(wěn)定的性能，采用了光纖通信波段1560nm的激光，并且通過相位調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生拉曼光，避免了使用光學(xué)鎖相環(huán)（OPLL），減小了系統(tǒng)的復(fù)雜程度的同時(shí)也加強(qiáng)了穩(wěn)定性。

從下方冷原子干涉重力儀的倍頻示意圖可以清楚的看到，1560nm的激光通過光纖分束器分為兩路，一路用作冷卻、探測(cè)以及吹掃激光，并包含調(diào)整轉(zhuǎn)移光譜（MTS），AOM2對(duì)激光產(chǎn)生移頻，將激光頻率鎖定到銣原子躍遷線；而另一路用于拉曼激光，光路中通過AOM調(diào)整光頻率，確保滿足干涉儀的精密要求。在這兩路中均通過PPLN波導(dǎo)生成780nm的光，在全光纖的系統(tǒng)中，保證了高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也對(duì)于針對(duì)環(huán)境變化有較高的魯棒性。

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗(yàn)的公司，專注于高效非線性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為PPLN晶體設(shè)計(jì)和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國(guó)Covesion在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問題,歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們!

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