激光痕量探测与精密测量实验室

原子器件是精密原子光谱与小型化仪器技术相结合发展的领域。它起源于NIST John Kitching组2004年小型化原子钟的工作。我们实验室沿用了NIST ADI组的名称，也进行一系列与原子器件相关的工作。我们工作的目标有三点：提高器件的灵敏度与稳定性、实现器件的小型化与标准化制作，以及为解决相关科学问题提供新的方案。基于此，我们着重发展了三个研究内容：小型化原子磁力仪、基于多反射腔的原子器件和原子共磁力仪。

1. 小型化原子磁力仪

原子磁力仪是通过测量原子自旋对外磁场的响应来探测外磁场。在这一部分，我们主要目标是制作方便使用的、低成本与低功耗的高灵敏度探头，主要应用范围在弱磁测量区域（B ＜ 100 nT）。下图展示了我们基于SERF磁力仪原理制作的第一代探头。它的尺寸为20 mm × 20 mm × 35 mm，原子气室的工作温度为150 oC，加热功耗小于1.5 W，激光功率小于2 mW，闭环带宽大于100 Hz，磁场灵敏度~25 fT/Hz1/2 @ 10 Hz。

Fig.1 磁力仪探头

2. 基于多反射腔的原子器件

这一方面的工作的主要包括：在不增加尺寸的情况下提高灵敏度；标准化器件的制作过程，去除复杂的光学调节步骤；以及实现大磁场范围的高灵敏度探测。这里我们选用了集成型Herriott腔作为多反射腔，它的优点是光斑密集，可以有效地利用空间。下图展示了一个常用的Herriott腔中的光路模拟图。

Fig.2 Herriott腔光路模拟

为了腔的标准化制作，我们引入了微纳技工里的阳极键合技术，在高温高电压条件下，使硅片与腔镜交换电荷，在二者接触面形成稳固的化学键。基于此制作的原子气室可以直接放置在三维打印的平台上，实现如下图所示的即插即用的工作模式。

Fig.3 阳极键合原子气室

在进一步的工作中，我们搭建了全真空键合系统，实现了在真空环境内制作含多反射腔的原子气室技术。下图展示的就是基于此技术制作的标准化气室。

Fig.4 标准化气室

3. 原子共磁力仪

原子共磁力仪是利用两种原子磁力仪同时同地测量同一磁场，这样就可以抵消掉磁场漂移的影响，有效地测量其他与自旋相耦合的相互作用。我们实验室着重发展核自旋-电子自旋的混合系统，利用极化电子来超极化核自旋气体，然后再利用碱金属原子磁力仪来读取极化核自旋的进动信号（如下图所示）。这里，我们主要利用Xe气同位素-Rb系统来完成两项工作：惯性测量，以及精密测量与原子自旋耦合的异常相互作用。

Fig.5 基于原子共磁力仪的精密测量