应用探究|PPLN波导赋能量子重力传感：星载冷原子干涉仪应用

2025-05-21 13:30:14 18阅读次数

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基于MgO:PPLN波导的1560nm至780nm高效倍频技术，冷原子干涉技术通过铷原子冷却与物质波干涉，实现了对于重力加速度的精密测量。凭借由昊量光电代理的英国Covesion PPLN波导在恶劣环境下的鲁棒性，当担重力仪中的波长转换产生冷却光和拉曼光的重任。

重力是地球生命最熟悉的自然力量，它无时无刻不在塑造着我们的世界——从脚下土壤的微妙变化到宇宙天体的运行轨迹。为了精确捕捉这些重力场，重力仪应运而生，专门用于测量地球或者其他天体表面的重力加速度及其微小变化。为地球科学、地质勘探、环境监测和空间科学等领域提供了重要数据。

传统的重力仪基于经典物理，包括测量附着质量后弹簧的伸长量或通过激光测量自由下落的角锥棱镜加速度等方法，尽管这些技术已经获得了极大的改进与优化，但它们仍可能出现漂移，并且容易受到制造和维护公差的影响，例如机械磨损。

随着量子与激光技术的发展，激光冷却技术可将原子冷却甚至接近绝对零度，捕获并且操控原子，这些技术为冷原子干涉仪（Cold Atom Interferometers, CAIs）奠定了基础。凭借其较高灵敏度，优良的稳定性以及较小的漂移等特点，被应用于加速度计、陀螺仪、重力仪等新型惯性传感器。利用冷原子的物质波特性，通过物质波干涉实现对重力加速度的精密测量，以原子在重力场中的相位变化，反演重力场的微小变化。重力仪采用了马赫-曾德尔干涉仪的结构，用物质波替代了光波，具有更高的相位敏感度。通过拉曼脉冲序列（π/2-π-π/2）实现冷原子的相干操控，分别发生分束、反射和合束，实现物质波干涉。

图1 拉曼光脉冲原子干涉仪原理示意图

下图所示的是当前应用广泛的自由下落式冷原子重力仪方案。2D MOT中得到的冷原子源被传输至3D MOT中，将原子进一步冷却至微开（μK）量级。随着3D MOT磁场和冷却激光的关闭，原子被释放并在重力作用下自由下落。在下落的过程中，上方发射的拉曼脉冲序列，经过原子的选态、干涉和探测后，从干涉条纹推算出重力加速度g的微小变化。

图2 冷原子重力仪示意图

Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat

CASPA（Cold Atom Space PAyload）项目由Innovate UK和工程与物理科学研究委员会（EPSRC）资助，伯明翰大学担任科学牵头方，联合XCAM、Clyde Space、Covesion、Gooch & Housego和南安普顿大学共同参与。其核心内容是在一个6U 立方体卫星CubeSat上的星载冷原子阱系统，将原子冷却至微开尔文量级，为未来地球观测任务中的重力仪奠定了基础。在光学子系统内搭载的倍频器（Frequency Doubler）产生冷却铷原子所需的780nm的激光。该倍频是由PPLN波导所实现的，将通信波段的1560nm的光在恶劣的太空环境中进行高效转换。在下一篇《白皮书|PPLN应用于恶劣环境中的波长转换中》，我们将具体来看看Covesion针对恶劣环境中PPLN的性能测试，在机械振动、电气等环境测试下的鲁棒性表现，这些对于量子计时与传感等应用至关重要。

图3 由Covesion和南安普顿大学制造的PPLN脊型波导的照片

A Single-laser System for Mobile Cold Atom Gravimeter

在冷原子重力仪中，除了原子冷却光通过倍频得到，在冷原子干涉仪中用作操控原子的拉曼光同样也能通过倍频产生。这篇详细介绍了一种基于1560nm光纤激光的冷原子干涉重力仪，为了在野外环境下也能获得较为稳定的性能，采用了光纤通信波段1560nm的激光，并且通过相位调制技术产生拉曼光，避免了使用光学锁相环（OPLL），减小了系统的复杂程度的同时也加强了稳定性。

从下方冷原子干涉重力仪的倍频示意图可以清楚的看到，1560nm的激光通过光纤分束器分为两路，一路用作冷却、探测以及吹扫激光，并包含调整转移光谱（MTS），AOM2对激光产生移频，将激光频率锁定到铷原子跃迁线；而另一路用于拉曼激光，光路中通过AOM调整光频率，确保满足干涉仪的精密要求。在这两路中均通过PPLN波导生成780nm的光，在全光纤的系统中，保证了高转换效率的同时，也对于针对环境变化有较高的鲁棒性。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，专注于高效非线性频率转换的MgO:PPLN（氧化镁掺杂周期极化铌酸锂）晶体和波导的研究、开发和制造。他们提供广泛的产品，包括PPLN块体晶体、PPLN波导以及PPLN配件。此外，他们还提供定制PPLN服务，利用其极化技术为独特的PPLN晶体设计和制造提供广泛的技术支持，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。