量子传感(Ⅰ):基础理论与方法

作为当前三大核心量子技术之一的量子传感技术,是量子信息感知与获取的重要物理实现基础,也是发展历史最悠久、技术成熟度最高、实际应用范围最广、潜在应用最多的量子技术。文章是量子传感的第一部分,主要介绍量子传感的基础理论与方法。首先从理论上总结量子传感的定义及基本概念,指出量子传感“量子性”的由来,并从实际应用的角度,提出量子传感的技术外延以及分类依据;接着详细介绍了有关量子传感的基本实现架构,以及描述量子传感性能的核心技术指标,归纳了用于提高量子传感性能的物理原理及技术方法。

碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

里德堡原子电场传感器的自校准性解析及测量不确定度评定

传统电场传感器需要标准场或更高准确度等级的传感器进行校准,而基于原子固有能级结构和光谱特征的里德堡原子电场测量可溯源至基本物理常数,量子传感自带校准功能。该文阐述了里德堡原子与外场相互作用的量子相干效应,说明了里德堡原子传感器的电场测量原理,并解析了其自校准性。基于所构建的针对低频电场的里德堡原子传感测量系统,分析了误差来源,定义和计算了各种不确定度分量,得到合成相对标准不确定度为3.885%;保守考虑,在大于或等于95.45%的包含概率下得到扩展不确定度为7.77%。在此过程中,明确了不确定度的主要影响因素并提出了减小其影响的建议。最后给出传感系统实测电磁诱导透明(EIT)光谱频移量与电场强度之间的拟合函数,拟合确定系数达到0.9969,验证了所构建的低频电场量子测量系统的准确性。

阵元失效下稀疏阵列的二维DOA估计算法

本文针对二维稀疏阵列在阵元失效条件下,因数据缺失导致虚拟阵列连续性被破坏及自由度下降的问题,提出了一种二维DOA估计算法。首先基于二维差分共阵构建虚拟阵列,然后利用解耦原子范数最小化理论,以矩阵填充的形式恢复协方差矩阵数据,实现对虚拟阵列中丢失虚拟阵元的内插,最后采用SS-MUSIC算法进行多信源的二维DOA估计。所提方法弥补了物理阵元失效所造成的影响,恢复了原始虚拟阵列的完整孔径特性,保持了虚拟阵列的自由度,从而确保了较高精度的二维DOA估计性能。仿真实验结果表明,在相同阵元数量及阵元失效情况下,本文提出的算法相比已有方法能有效地估计更多信源,并在小快拍数和低信噪比条件下表现出更高的稳健性,最大限度地保留并利用了稀疏阵列在二维DOA估计中的自由度优势。

基于里德堡原子的无线电技术研究进展

近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。对基于里德堡原子的无线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。

基于里德堡原子的微波全信息测量

介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理,阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点,分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状,探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难,指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量;并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势,提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。

基于柔性电极和信号放大技术构建检测磷脂酶C的电化学传感器

磷脂酶C(PLC)是动植物中重要的脂质水解酶,在哺乳动物细胞的代谢、生长、炎症、分化、衰老和凋亡中起着重要作用,与许多癌症的发生、发展显著相关。蛋白质催化原子转移自由基聚合(PATRP)是高分子设计、制备的有效手段,可通过链式反应将数百个电活性单体连接成一个高相对分子质量的聚合物链,从而使分子识别信号大大增强。首先,在柔性碳布(CC)电极表面修饰纳米金(AuNPs),之后通过3-巯基丙酸、碳二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺,将PLC的特异性底物磷脂酰乙醇胺(PE)固定在电极上,经过PLC对PE的特异性水解产生磷酸基团,引入Zr^(4+),通过Zr^(4+)的配位作用将聚合引发剂α-溴苯乙酸修饰到电极表面,最后在蛋白质催化作用下进行2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)的PATRP聚合反应,在电极表面引入电活性聚合物分子链,构建信号放大型电化学传感器P(TEMPO)/PE/AuNPs/CC,用于磷脂酶C的高灵敏度检测。结果表明,该传感器检测PLC的线性范围为10~1×10^(5)mU/L,检出限为3.568 mU/L(S/N=3)。与其他检测PLC的方法相比,该传感器具有较宽的检测范围和较低的检出限,且在检测实际乳腺癌细胞中的PLC方面有巨大的实际应用潜力。

多传感器信息融合的低压电网窃电设备在线监测方法

低压电网窃电设备的在线监测是电网安全工作过程中不可缺少的步骤,但监测过程易受噪声信号、电压强度、磁场干扰等问题的影响,为此提出基于多传感器信息融合的低压电网窃电设备在线监测方法。该方法利用多传感器采集窃电设备的运行信号并将信号融合,再通过局域波分解算法剔除信号中的噪声,避免噪声对监测过程产生影响,其次采用原子分解算法提取信号的特征,最后将信号特征输入到正弦基神经网络模型中,通过对信号的自动分类与监测完成低压电网窃电设备的在线监测。实验结果表明,所提方法的信号监测效果好、响应时间短。

高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来(特邀)

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有可调控的光斑形貌、易于二维集成、窄光谱宽度、尺寸小等独特优势,尤其是VCSEL激光器高的波长温度稳定性与无腔面损伤特性,在工作温度要求苛刻的高温环境下具有极为优秀的工作表现。介绍了VCSEL激光器的结构原理,对VCSEL激光器在高温工作时激光腔模与增益的温度稳定特性进行了分析。对量子精密测量碱金属原子泵浦高温VCSEL激光器进行分析,并对其国内外发展历程与进展现状进行了介绍;分析数据中心能耗问题带来的高温高速VCSEL激光器需求,并对850 nm与980 nm两个波段的高温高速VCSEL发展历程进行了介绍;最后对高温工作VCSEL激光器未来的发展方向进行了总结展望。

核磁共振微陀螺的现状与发展

基于核磁共振的微型陀螺仪以其小体积、低功耗、低成本等优势成为了惯性传感器领域新的研究热点。回顾了核磁共振陀螺仪的发展历程,并跟踪了国际上基于核磁共振的微型陀螺仪的最新研究动态。从核磁共振、光抽运和自旋交换碰撞三个方面介绍了核磁共振微陀螺的理论基础和主要涉及的物理效应。针对核磁共振微陀螺的不同结构对其进行分类,并从工作原理和性能参数等方面分别进行了阐述。最后,分析了核磁共振微陀螺的应用领域,对其发展趋势和实际应用所面临的挑战进行了展望,并指出磁抑制和磁屏蔽技术将会成为制约核磁共振微陀螺实际应用的难点。

795nm单模垂直腔面发射激光器

针对铷原子能级跃迁对光谱的特殊需求,设计并制备了795 nm单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)。根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果,设计了单模VCSEL芯片结构。采用MOCVD技术生长了外延结构,制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试。当有源区直径从6μm减小到3μm时,VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 d B增加到34.05 d B,阈值电流由0.77 m A减小到0.35 m A。有源区直径为6,5,4和3μm的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37,0.46,0.58和0.44 m W,有源区直径为4μm的VCSEL芯片的远场为圆形光束,发散角为15°。85℃时3.5μm有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 m W,激射波长为795.3 nm。室温3 d B带宽大于8 GHz,满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求。

原子磁传感器原子气室无磁控温技术

针对原子磁传感器碱金属原子气室对无磁加热的需求,解决磁力仪共振谱线信号信噪比低的问题,使用了差分对的布线方法,采用微加工膜工艺,在陶瓷基板上制备了方形纯铜材质的无磁加热线圈。使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件分析了线圈在2.2 mA直流条件下产生的附加稳态磁场分布情况,结合Pro/Engineer软件构建的铜质气室固定支架及其热仿真分析结果,得到了比较理想的加热线圈固定位置。进一步分析确定了20 kHz交流加热方案,最终制作完成了具有3W加热功率和0.1℃控温精度的无磁加热器。实验结果表明:该加热器瞬时磁扰动为2.24 pT,满足原子气室无磁加热要求。其结果对原子磁传感器气室的设计及工作参数的优化改进具有一定的参考意义。

基于VRML的网络交互式虚拟现实建模研究

提出了结合3DSMAX7.0、Vrmlpad2.1进行VRML三维建模的方法,建立了基于VRML的Web三维虚拟原子吸收实验室,研究了提高网络浏览及显示速度的几个关键技术,如通过降低纹理图分辨率、使用Billboard节点、节约线面、优化压缩等以优化文件;使用硬件渲染方式使虚拟场景显示快速、平滑;用VRML节点实现了更多的交互功能,如信息提示,活动门窗,自动漫游,可从多视点观看;运用Octaga插件实现火焰特效的输出与浏览。

基于里德堡原子的无线电技术

里德堡原子是一种处于高能态的原子,拥有较大的跃迁偶极矩.利用原子的电磁感应透明和Autler-Townes分裂效应可实现微波频段电磁场的测量和接收.近年来,基于里德堡原子的无线电技术在通信、雷达等电子信息技术领域崭露头角,基于里德堡原子的无线电接收机实现了对调幅信号、调频信号的解调;同时,具备对脉冲信号及微波场相位信息的测量能力.文中主要综述基于里德堡原子的无线电技术研究,详细介绍了里德堡原子接收机的基本原理与研究进展,并简单讨论了其未来发展方向.

原子分辨显微分析技术研究进展

非接触原子力显微技术(NC-AFM)近年来发展迅速.NC-AFM对单个分子的成像和谱学实现了原子分辨和单个化学键分辨.NC-AFM自身功能的拓展及其与不同探针技术的联用将为材料、物理、化学和生命科学有关的研究提供崭新的思路.本文首先介绍NC-AFM和qPlus传感器的基本原理,然后讨论原子尺度的相互作用力和短程力的精确测量,总结近年来NC-AFM在原子尺度的化学结构成像、化学识别、电子结构性质分析以及原子操纵技术中的研究进展,并讨论了开尔文探针力显微技术(KPFM)在局域接触势差(LCPD)测量方面的应用.最后展望了NC-AFM面临的挑战和发展机遇.

微PNT与综合PNT

综合定位导航授时是后GNSS(全球卫星导航系统)发展的必然趋势。本文侧重梳理微PNT发展需求和发展现状,分析与之关联的核心关键技术,论述综合PNT与微PNT的关系。强调综合PNT需要大量基础设施投入与建设,而微PNT侧重高技术传感器的集成应用。与现有文献思路不同的是,我们认为,为了实现各类传感器PNT输出结果的坐标基准统一和时间尺度一致,微PNT应包含多模GNSS和芯片级惯性导航和芯片级原子钟等定位定时组件,微PNT强调小型化、个性化、组合化服务终端;微PNT除各PNT组件的小型化外,还包括各组件的深度集成,各类数据的自适应融合和各组件的自主标校;当然,微PNT也强调各传感器信息的时空基准的统一。

基于原子力显微镜的微悬臂传感器测定溶菌酶

提出了一种基于原子力显微镜AFM技术的微悬臂检测溶菌酶的新型传感器技术。通过利用AFM激光束对溶菌酶吸附前后的微悬臂形变程度进行检测,研究了溶菌酶在正十二硫醇修饰微悬臂上的吸附。在最佳条件下,溶菌酶浓度在0.01～100μg/L范围内,其浓度的对数值与微悬臂偏转值呈良好的线性关系,相关系数达到0.998;检出限5.0ng/L。将该法用于药物制剂中溶菌酶含量的测定,获得了满意的结果。

原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

分析了现有的ＡＦＭ力传感器的工艺特点及问题。在此基础上研究用ＫＯＨ溶液两步法Ｐ＋自停止腐蚀制作厚度精确可控的单晶硅悬臂梁；以ＳｉＯ２为掩模，ＳＦ６刻蚀硅，用ＲＩＥ与各向同性湿法化学腐蚀相结合使悬臂梁探针一次成形和用湿法腐蚀锐化探针，针尖半径约５０ｎｍ。制定了适于批量生产的ＡＦＭ力传感器加工工艺。

MEMS原子自旋陀螺气室芯片加工设备与工艺研究

原子自旋陀螺是基于原子自旋极化效应的一类陀螺仪,在实现高精度检测的同时,又具有小型化和批量化制造的潜力。本文针对原子自旋陀螺对气室芯片的高浓度补偿气氛要求,结合集成制造的技术趋势,设计制造了能承受20×101.325kPa气压的气室芯片专用键合装置。完成了集成RF线圈的6amagat Amagat为浓度单位,定义为1个大气压0℃情况下单位体积内理想气体的分子数浓度原子自旋陀螺用气室芯片的工艺流程设计并进行了工艺流片。流片结果获得了完整的气室芯片结构,漏率的检测结果为3.0×10-8 Pa·m3/s,验证了装置和工艺的可行性。

基于超声波雾化器的农作物温湿度智能控制系统

设计了一种基于超声波雾化器的农作物温湿度智能调节系统。超声波雾化器为系统核心器件,它将高温度的热水雾化为直径5μm左右的水颗粒,实现室内空气迅速升温、增湿,净化空气。实际运行情况表明,将其应用于农作物室内环境中,无需人工干预,温湿度自动调节,控制简便、快捷,抗干扰能力强。