應用探究|ppln波導賦能量子重力傳感：星載冷原子干涉儀應用

摘要
基于MgO:PPLN波導的1560nm至780nm高效倍頻技術，冷原子干涉技術通過銣原子冷卻與物質波干涉，實現了對于重力加速度的精密測量。憑借由昊量光電代理的英國Covesion PPLN波導在惡劣環境下的魯棒性，當擔重力儀中的波長轉換產生冷卻光和拉曼光的重任。

重力是地球生命熟悉的自然力量，它無時無刻不在塑造著我們的shi界——從腳下土壤的微妙變化到宇宙天體的運行軌跡。為了精確捕捉這些重力場，重力儀應運而生，專門用于測量地球或者其他天體表面的重力加速度及其微小變化。為地球科學、地質勘探、環境監測和空間科學等領域提供了重要數據。

傳統的重力儀基于經典物理，包括測量附著質量后彈簧的伸長量或通過激光測量自由下落的角錐棱鏡加速度等方法，盡管這些技術已經獲得了極大的改進與優化，但它們仍可能出現漂移，并且容易受到制造和維護公差的影響，例如機械磨損。

隨著量子與激光技術的發展，激光冷卻技術可將原子冷卻甚至接近絕對零度，捕獲并且操控原子，這些技術為冷原子干涉儀（Cold atom interferometers, CAIs）奠定了基礎。憑借其較高靈敏度，優良的穩定性以及較小的漂移等特點，被應用于加速度計、陀螺儀、重力儀等新型慣性傳感器。利用冷原子的物質波特性，通過物質波干涉實現對重力加速度的精密測量，以原子在重力場中的相位變化，反演重力場的微小變化。重力儀采用了馬赫-曾德爾干涉儀的結構，用物質波替代了光波，具有更高的相位敏感度。通過拉曼脈沖序列（π/2-π-π/2）實現冷原子的相干操控，分別發生分束、反射和合束，實現物質波干涉。

圖1 拉曼光脈沖原子干涉儀原理示意圖

下圖所示的是當前應用廣泛的自由下落式冷原子重力儀方案。2D MOT中得到的冷原子源被傳輸至3D MOT中，將原子進一步冷卻至微開（μK）量級。隨著3D MOT磁場和冷卻激光的關閉，原子被釋放并在重力作用下自由下落。在下落的過程中，上方發射的拉曼脈沖序列，經過原子的選態、干涉和探測后，從干涉條紋推算出重力加速度g的微小變化。

圖2 冷原子重力儀示意圖

Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat

CASPA（Cold Atom Space PAyload）項目由Innovate UK和工程與物理科學研究委員會（EPSRC）資助，伯明翰大學擔任科學牽頭方，聯合XCAM、Clyde Space、Covesion、Gooch & Housego和南安普頓大學共同參與。其核心內容是在一個6U 立方體衛星CubeSat上的星載冷原子阱系統，將原子冷卻至微開爾文量級，為未來地球觀測任務中的重力儀奠定了基礎。在光學子系統內搭載的倍頻器（Frequency Doubler）產生冷卻銣原子所需的780nm的激光。該倍頻是由PPLN波導所實現的，將通信波段的1560nm的光在惡劣的太空環境中進行高效轉換。在下一篇《白皮書|PPLN應用于惡劣環境中的波長轉換中》，我們將具體來看看Covesion針對惡劣環境中PPLN的性能測試，在機械振動、電氣等環境測試下的魯棒性表現，這些對于量子計時與傳感等應用至關重要。

圖3 由Covesion和南安普頓大學制造的PPLN脊型波導的照片

A Single-laser System for Mobile Cold Atom Gravimeter

在冷原子重力儀中，除了原子冷卻光通過倍頻得到，在冷原子干涉儀中用作操控原子的拉曼光同樣也能通過倍頻產生。這篇詳細介紹了一種基于1560nm光纖激光的冷原子干涉重力儀，為了在野外環境下也能獲得較為穩定的性能，采用了光纖通信波段1560nm的激光，并且通過相位調制技術產生拉曼光，避免了使用光學鎖相環（OPLL），減小了系統的復雜程度的同時也加強了穩定性。

從下方冷原子干涉重力儀的倍頻示意圖可以清楚的看到，1560nm的激光通過光纖分束器分為兩路，一路用作冷卻、探測以及吹掃激光，并包含調整轉移光譜（MTS），AOM2對激光產生移頻，將激光頻率鎖定到銣原子躍遷線；而另一路用于拉曼激光，光路中通過AOM調整光頻率，確保滿足干涉儀的精密要求。在這兩路中均通過PPLN波導生成780nm的光，在全光纖的系統中，保證了高轉換效率的同時，也對于針對環境變化有較高的魯棒性。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，專注于高效非線性頻率轉換的MgO:PPLN（鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導的研究、開發和制造。他們提供廣泛的產品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務，利用其極化技術為獨特的PPLN晶體設計和制造提供廣泛的技術支持，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

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