原子器件

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

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激光痕量探测与精密测量实验室