1 中北大学动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051
2 内蒙古动力机械研究所，内蒙古 呼和浩特 010000
原子磁强计以其高灵敏度和成本低等优势受到了越来越多的关注，如今，进一步提高原子磁强计的芯片集成度已成为主要趋势，因为它有利于生物磁性测量与成像。但是，目前实现原子磁强计小型化的主要障碍是微加工原子气室的光学元件分立。鉴于此，笔者提出一种基于新兴超表面的超紧凑片上原子气室方案，该方案将超表面与各向异性腐蚀的单晶硅相结合，在保证高灵敏度的同时提高了原子气室的集成度。该方案能够对圆偏振入射光束进行光路操纵，效率可达到80%。超表面采用厚度为500 nm的硅设计而成，可以通过基本的微加工工艺直接在原子气室上制造。所设计的新型原子气室具有集成度高、可大批量制造的优点，为未来生物磁性传感系统的发展提供了参考。
表面光学 超表面 异常折射 原子气室 原子磁强计 光路集成
华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心, 湖北武汉 430223
介绍了一种用于原子气室的无磁加热薄膜技术。原子磁力仪、原子陀螺仪、原子钟等采用热原子系综的精密测量仪器通常采用原子气室作为物理系统, 为了保证足够的原子数密度, 原子气室工作温度通常为 80~120℃, 因此无磁加热技术是热原子钟的核心技术之一。采用多物理场有限元仿真分析通电线圈在小电流(直流 0.2A)条件下产生的稳态磁场分布情况, 通过对比不同线圈结构产生的磁场分布, 得到满足性能要求的通电线圈结构。实验结果表明, 采用优化后结构的无磁加热薄膜产生的剩磁低于 100nT, 满足原子气室无磁加热要求。该设计对以原子气室的原子钟性能提升提供了可靠保证, 并为原子钟小型化提供参考。
无磁加热 原子气室 加热线圈 磁场噪声 原子钟 有限元分析 non-magneticheating atomicchamber heatingcoil magneticnoise atomicclock finiteelementanalysis
1 中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心, 北京 100194
2 北京航天控制仪器研究所, 北京 100039
原子气室作为量子仪表的核心部件, 其稳定性和寿命是决定量子仪表长期可靠工作的主要因素。在制备原子气室过程中, 玻璃高温熔接产生的残余应力会影响气室的力学特性及光学性能, 应力过大将导致气室在加工过程中发生炸裂, 并在后期应力释放过程中出现裂纹, 造成气室失效。测量和消除原子气室玻壳残余应力对提高原子气室的寿命和可靠性有重要意义。利用双折射应力测量仪对原子气室玻壳应力分布进行无损测量, 测量结果具有良好的一致性和重复性。经过退火处理后, 5支玻壳的应力最大值、平均值和标准差的平均值降幅分别达到81.35%、75.67%和77.32%, 表明消除应力取得了良好的效果。
原子气室 高硼硅玻壳 残余应力 退火处理 双折射原理 vapor cell high borosilicate glass shell residual stress annealing treatment birefringence principle
江南大学物联网工程学院轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122
光学气体传感器性能受气室结构影响较大，但是关于通过改进气室结构提高光学气体传感器的研究较少，提高芯片的利用率对缓解全球半导体芯片供应不足及低碳环保等具有重要意义。为了提高芯片利用率与满足多组分气体传感器高性能检测需求，设计了一种使用非分光红外技术的可同时检测CO2、SO2和CO这3种气体的三椭球型气室结构光学传感器，并对气室的光学性能进行研究。通过光路仿真、有限元模拟、蒙特卡罗模拟等可知：23%的接收面上集中了91%的能量，克服了直射式结构气室光程短和光敏面上光通量低的问题（光程长度增加了25%，光通量增加了40倍），同时克服了多反射式结构光通量过低的问题（约增加了117倍），信噪比分布是多反射式和直射式的10~100倍。因此，所提三椭球气室结构对于高端多组分组合式气体传感器的实现有着重要的意义。
传感器 光学气体传感器 非分光红外技术 三椭球型气室结构 有限元模拟 蒙特卡罗模拟 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1028011
国防科技大学电子科学学院电子科学系，湖南 长沙 410073
碱金属原子气室是原子电场计、原子陀螺仪、磁力计、原子钟等原子传感器的基础核心部件，在气室玻壳上进行光路集成是实现原子传感器小型化的有效途径之一。本文针对原子传感器中光学元器件分立、光利用率不高的问题，基于广义斯涅耳定律和等效介质理论，设计了一种超表面结构，可实现不同波长激光的光束分离和高效透过，与原子气室集成，便于透过原子气室的光信号检测和后续处理，提高原子传感器的集成度和便携性，为其小型化提供可行性方案。以双光子激发制备铯里德堡原子为例，使用FDTD软件进行仿真分析，结果表明，超表面结构对510 nm耦合光偏折角约为6°，对852 nm探测光基本不产生影响，两束激光的透过率均在96.3%以上。
超表面 光束偏折 原子气室 里德堡原子 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1124001
红外与激光工程
2022, 51(3): 20210746
华南农业大学数学与信息学院/广东省农业大数据工程技术研究中心, 广东 广州 510642
种蛋气室的大小是监测种蛋孵化过程的重要指标之一。 根据种蛋的热力学结构, 种蛋在孵化过程中, 包裹气室部分蛋壳会与其他部分蛋壳产生温差, 从而可通过热红外图像进行观察。 针对在种蛋孵化过程中, 人工照蛋检测气室效率低的问题, 探索设计了一种基于热图像的种蛋气室变化俯视监测算法。 监测种蛋气室热图像的算法主要包括种蛋目标检测, 种蛋图像分割和种蛋气室面积计算3个部分, 其中种蛋的目标检测采用Faster-RCNN算法实现; 种蛋图像分割采用BP神经网络算法实现; 种蛋气室面积是在种蛋图像分割的基础上进行计算。 使用孵化5天及以上的种蛋作为研究对象, 并拍取种蛋的热图像进行试验。 试验结果表明: 种蛋热图像的目标检测的平均精度(mAP)为99.85%, 拥有较好的检测效果。 使用BP网络对种蛋进行图像分割。 BP神经网络经过调参后, 其网络最佳的结构为三层隐藏层, 每个隐藏层拥有1 000个神经元, 最优初始学习率为0.000 1, 最优最大迭代次数为500。 以F1-measure作为分割效果的评价指标, BP神经网络的图像分割总体结果为87.02%, Otsu算法的总体结果为65.25%。 其中只有一个蛋的情况下, BP神经网络的分割结果为87.17%, Otsu算法的结果为68.86%。 存在其他种蛋的干扰条件下, BP神经网络的分割结果为86.94%, Otsu算法的结果为61.64%, BP神经网络的分割效果优于Otsu分割算法, BP神经网络拥有更强的抗干扰能力。 最后提取了孵化5~19 d种蛋的气室变化, 通过观察种蛋气室大小曲线来监测种蛋的孵化情况, 可看出随着天数的增加, 气室有着明显变大的趋势。 人工测量法与热红外测量法比较结果说明两者相关性为0.934 3, 拥有较好的相关性。 基于热图像的种蛋气室变化监测算法可在实际生产中实现种蛋的识别与气室大小的快速监测, 为实现监测种蛋孵化的自动化提供了技术参考。
热图像 种蛋气室 机器视觉 深度学习 BP神经网络 图像分割 Thermal-image Size of egg’s air-cell Machine vision Deep learning BP neural network Image segment
1 中电科仪器仪表有限公司, 山东 青岛 266555
2 中国电子科技集团有限公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
针对最高分辨率可达0.1 pm的布里渊近红外光谱仪波长标定的难题,基于多次标定逐步降低波长误差的思路,提出了一种协同融合标定原理的标定流程:首先,基于布里渊光谱分析理论模型,结合泵浦信号波长、受激布里渊频移、增益谱线型函数等推导出超高分辨率光谱的理论波长;然后,采用FP标准具进行相对波长的标定;最后,基于气室完成绝对波长的标定。气室中充入HCN+ 12CO+ 13CO混合气体,以实现C+L波段的覆盖。针对可能存在的光谱鬼线,提出了一种基于受激布里渊增益谱与衰减谱共生特性的鬼线识别方法。实验结果表明:布里渊光谱仪的理论波长偏差超过了10 pm,相对标定可将波长不确定度降低到±2.5 pm,绝对标定可将波长不确定度进一步降低到±0.035 pm。
光谱学 布里渊光谱仪 光纤受激布里渊效应 超高分辨率光谱 波长标定 FP标准具 气室 光学学报
2020, 40(20): 2030001
