1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁，将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化，理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝，具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先，阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论；其次，介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展，对比分析各子技术的特点，随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用；最后，总结了该技术的发展趋势，并提出相关建议。
悬浮光力学 量子传感 光阱 精密测量 levitated optomechanics quantum sensing optical tweezers precision measurements 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230193
华中光电技术研究所- 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
从原子受力模型出发, 研究光栅磁光阱中衍射光与磁场非正交条件下亚多普勒冷却机制, 建立四束型和五束型光栅磁光阱中原子受力冷却和陷俘理论模型, 分析光栅磁光阱作用下原子受到散射力与陷俘速度、回复力与形成势阱范围关系, 以及光栅衍射角对原子陷俘速度和原子囚陷范围的影响。结果表明, 衍射光与入射光的合力在磁场中心位置为零, 构成有效势阱, 光栅衍射角引起的衍射光偏振分量的变化对原子所受阻尼力、回复力和原子陷俘速度均有影响, 也会最终影响到光栅磁光阱囚禁的原子数, 为光栅磁光阱实现原子冷却和陷俘, 以及光栅芯片设计提供了理论依据。
光栅磁光阱 光栅芯片 原子冷却与囚陷 冷原子 激光冷却 grating magneto-optical trap grating chip atomic cooling and trapping cold atom laser cooling
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
基于三角形衍射光栅搭建的三维磁光阱实现了87Rb原子的冷却囚禁，自主完成了三角形衍射光栅的设计制备，在保证合理衍射效率及衍射圆偏度的情况下有效抑制了零级光效率，其参数满足光学粘胶平衡条件。基于该光栅搭建了一套磁光阱系统，开展原子囚禁实验。在合理的参数设置下，成功实现了原子囚禁，经测算囚禁原子数量在106量级。基于三角形衍射光栅的原子冷却囚禁实验的成功，对于三维磁光阱的低功耗、小型化具有参考意义，有望应用于小型化冷原子精密测量系统中。
磁光阱 三角型衍射光栅 原子冷却囚禁 冷却光 磁场梯度 magneto-optical trap triangular diffraction grating atomic cooling confinement cooling light magnetic field gradient
1 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学光电研究所 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
本文介绍了用于冷原子样品等效温度测量的简化的飞行时间荧光成像法。将用于激光冷却和俘获原子的冷却光, 代替标准的飞行时间荧光成像法中额外引入的探测光。在铯原子磁光阱基础上,通过进一步采用偏振梯度冷却技术使冷原子等效温度有效地降低。采用简化的飞行时间荧光成像法测量的铯原子气室磁光阱(光学粘团)的等效温度, 典型值为TY≈22.3±2.2K, TZ≈15.4±2.7K(TY≈11.6±1.1K, TZ≈2.8±1.2K)。本文中的简化飞行时间荧光成像方案, 在不牺牲冷原子样品等效温度测量的精度和准确度情况下, 更容易在实验中执行和推广, 对于应用于冷原子微波原子钟、冷原子光频原子钟、冷原子干涉重力仪等量子精密测量领域, 以及采用冷原子样品进一步开展量子光学、量子信息处理等领域的研究工作, 具有积极意义和良好的推广价值。
冷原子温度测量 磁光阱 偏振梯度冷却 光学粘团 简化的飞行时间荧光成像法 temperature measurement of cold atoms magneto-optical trap polarization gradient cooling optical molasses the simplified time-of-flight fluorescence imaging
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
光力加速度计的测试质量不受外界环境干扰并且它的光学检测精度高，可实现超灵敏加速度探测，广泛应用于各种惯性导航、超精密微重力探测、娱乐等领域。光力加速度计系统分为装载、光阱捕获、位移探测与冷却反馈四大模块，从实践角度分别对各模块现有技术进行梳理总结。未来，光力加速度计会以各模块简约化与紧凑化为目的进行发展，与此同时，其加速度探测精度与可靠性也会不断提升。
惯性导航 光力加速度计 真空微球装载 真空光阱 光强探测 图像探测 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1100008
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 101408
介绍了一种应用于空间超冷原子物理实验平台的二维磁光阱光机系统的集成优化设计方法，可获得高通量冷原子束流以满足后续三维磁光阱中冷原子的高装载率。二维磁光阱激光系统的主要光路包括冷却光、重泵光、推送光和缓冲光。首先，利用Zemax软件对光学系统进行设计和优化，使得成像系统的点列图均方根(RMS)半径均小于艾里斑，而且光学系统的调制传递函数(MTF)与衍射极限传递函数非常接近，系统具备优良的光学性能。在此基础上，利用Solidworks软件仿真完成了高稳定度、简单化、小型化光机结构的设计。针对4路光同时输入一个光机口的难题，提出了V-GROOVE光纤设计方案，进一步提高了所有光机组件的集成度。该系统在工程化的基础上实现了装载率约为1.89×108 /s的连续冷原子束流。
量子光学 二维磁光阱 激光冷却 原子装载 Zemax软件 Solidworks软件 中国激光
2022, 49(11): 1112001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
实验参数的优化调整在冷原子实验中是最基础且最重要的工作,优良实验结果的获得离不开实验参数的不断优化。提出了一种基于人工神经网络的超冷原子实验多参数自主优化方案。首先,详细介绍了神经网络结构的设置、自优化的学习策略。然后,将神经网络与全局最优化模拟退火算法相结合搭建了相应的多参数自主优化系统。最后,进行了利用直接蒙特卡罗模拟方法模拟磁光阱中冷原子动力学行为的实验,对所提系统的性能进行了验证。实验结果表明,经过约30 h的优化迭代,所提方案有效完成了对冷原子动力学行为实验系统输入参数的优化,并得到了一个稳定、有效且最优的实验结果。
量子光学 激光冷却 磁光阱 人工神经网络 直接蒙特卡罗模拟 中国激光
2021, 48(24): 2412001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100000
提出了一种利用红失谐高斯光束偶极力实现二维磁光阱长距离传输冷原子束的方案。利用二能级原子所受散射力公式分析并构造了 87Rb原子在光偶极阱二维磁光阱(2D-ODT MOT)中的受力公式,考虑了原子与背景气体碰撞的影响,利用四阶龙格-库塔法求解原子运动方程,获得原子的运动轨迹,统计并求出原子在不同高斯光束失谐以及功率条件作用下进入差分泵浦范围的原子数。实验验证了在红失谐高斯光束与原子束推送光相互组合的4种工作状态下科学实验腔中磁光阱冷原子装载情况。理论与实验结果表明:基于红失谐高斯光束的二维磁光阱长距离传输冷原子束的效果提升显著,科学腔原子装载效率明显提升、原子数目明显增加。
原子与分子物理学 二维磁光阱 光偶极力 冷原子束 直接蒙特卡罗模拟 光学学报
2021, 41(21): 2102001
1 河南科技大学 物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安710119
提出一种基于非对称涡旋光束的动态光镊, 实验中基于计算全息技术, 通过对涡旋光束的动态调控, 实现了酵母菌细胞的分离与聚合, 探究了非对称动态涡旋光束对酵母菌细胞的操纵特性。计算了用此光镊系统操纵酵母菌细胞时的光阱刚度, 在激光器出射功率为230 mW时, 光阱刚度统计均值为0.098 5 pN/μm。
光镊 非对称涡旋光束 计算全息 空间光调制 光阱刚度 optical tweezers asymmetric vortex beam computational holography spatial light modulation optical trap stiffness
