深度冷却是超冷原子制备过程的关键步骤，是探寻极低温度的关键技术。详细阐述了一种用于⁸⁷Rb原子深度冷却的集成化全光纤1064 nm激光系统的研制方案。激光器采用两级主振荡功率放大的方案，将单一种子源信号进行放大、分束和调控，输出4路具备独立控制的激光，作为制备超冷量子气体的交叉光阱的光源。经测试，激光器在功率、稳定性、噪声等各方面满足原子深度冷却的实验需求。在地面条件下进行的两级深度冷却预实验中，获得了10 nK以下的初步实验结果，这验证了激光器具备实现超冷原子深度冷却所需的全部功能。激光器集成了种子源、放大器和全功能光学平台的功能，其内部模块采用全光纤器件研制，具有集成化、数字化、高稳定、免调试、易维护等优点，经过简易改造能够应用于远程遥控和遥测的超冷原子项目中。

射频蒸发冷却作为获取超冷原子简并量子气体的手段之一，对玻色-费米协同冷却的实现至关重要。为了在空间站上实现超冷量子简并气体，设计了一种特殊的射频天线。该天线被置于一个冷原子实验用真空腔内，与腔上集成的冷却、探测、光阱、磁阱、光晶格、Feshbach磁场等装置一同组成了通用型超冷原子物理实验系统，该实验系统满足载人航天工程在尺寸、重量、功耗、可靠性和电磁兼容性等方面的严格要求。利用有限元仿真方法对天线进行设计和评估，并在地面实验平台上对其各项性能指标进行测试和实验验证。结果表明，本设计除了能够降低90%的射频功率需求外，还能维持科学腔的超高真空水平，并具备良好的电磁兼容性，符合载人航天工程的要求。

为进一步提高大气光通信系统的速率和可靠性, 提出一种采用反向传播(BP)神经网络辅助检测方案以改善脉冲位置调制(PPM)和正交相移键控(QPSK)混合调制的超奈奎斯特(FTN)大气光通信系统误码率。对BP神经网络进行离线训练来提取信道特征, 从而改善了系统在时变大气信道下的误码性能。仿真结果表明: 与最大似然检测相比, 在加速因子为0.8, 误码率为10-3, 滚降因子分别为0.6和0.7时, 该方法的系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.5 dB; 在加速因子为0.8, 误码率为10-4, 滚降因子分别为0.8和1时, 系统误码性能可依次提高2.0 dB和1.8 dB。

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。

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。

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。

超分辨荧光显微技术一直是研究热点,各种超分辨荧光成像技术的出现打破了光学衍射极限,将空间分辨率提高到纳米尺度。但随着时间、空间分辨率要求的不断提高,目前超分辨荧光显微技术仍然面临着空间分辨率、时间分辨率和视场存在三角制约关系及探测灵敏度较低的问题。随着近年来基于量子关联的新型成像机制的发展,基于荧光量子特性与量子关联成像的超分辨荧光显微镜应运而生,新成像模式及新物理量的引入不仅增加了信息量也提高了图像信息获取的效率,为超分辨荧光显微技术的研究提供了新思路。介绍了目前超分辨荧光显微镜的技术原理、优缺点与面临的主要技术问题,以及基于量子关联的新型超分辨荧光显微镜,并探讨了未来超分辨荧光显微镜的发展方向,以期为该领域的科学研究提供参考。

为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜，以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用，将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中，利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构，并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明，该方法能够突破光学衍射极限，成像分辨率达到180nm，相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像，相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。

利用表面增强拉曼散射(SERS)技术可增强金属表面某些位置(热点)的电场强度。选定Ag纳米颗粒二聚体这一金属纳米结构体系,研究其作为超分辨SERS成像基底的可行性。采用时域有限差分(FDTD)法,计算分析Ag纳米颗粒二聚体在不同波长和偏振方向的激发光作用下的电场分布特点。结果表明:Ag二聚体的电场分布具有高度局域化的特点,并且Ag二聚体中热点的电场强度可由激发光的偏振方向调控,这使其可以作为实现超分辨SERS成像的基底。