基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

紧凑型冷原子高分辨成像系统光学设计

对真空腔内的冷原子进行高分辨成像通常需要原子与像平面之间保持较大的距离,这不利于成像系统在光学元件密集的冷原子实验中实现.设计了一套显著降低原子与像平面距离的高分辨成像系统,实现了1μm的分辨率与50倍的放大率.仿真结果表明,通过改变透镜间距,可以适应0—15 mm厚度范围的真空窗口.该成像系统由数值孔径为0.47的显微物镜和有效焦距为1826 mm的远摄物镜组合而成.结合成像波长为470—1064 nm的仿真结果,该系统可以对钠、锂、铯等不同种类的原子进行高分辨成像.

热解催化-金汞齐化-冷原子吸收法测定锡精矿中汞

采用固体进样全自动测汞仪直接测定锡精矿中汞含量。将锡精矿样品直接在样品舟中称重,在氧气气氛中经历干燥和高温热分解,氧气流将汞带入催化管、齐化管并发生定向反应,最后在光学吸收池进行冷原子吸收光谱测定。在干燥温度200℃、干燥时间60 s、热解温度650℃、热解时间30 s条件下,对三个锡精矿样品进行测定,测定值的相对标准偏差为0.87%~2.40%(n=11),加标回收率为95.2%~104%,与国家标准原子荧光光谱法比对,测定结果一致。共存元素干扰实验结果证明,锡虽然熔点低且能与汞发生锡汞齐反应,但在实验条件下对汞的测定没有影响。该方法适用于锡精矿中汞的快速测定。

冷原子分光光度法测定固定污染源废气中汞的方法研究

本研究旨在探讨冷原子分光光度法在测定固定污染源废气中汞的应用,提供了一种新的、操作简单、成本低廉的方法。通过实验研究,详细描述了该方法的操作步骤、所需仪器设备以及质量控制措施,并展示了示例标准曲线和汞浓度数据表格。冷原子分光光度法作为环境保护的关键工具,可准确测定固定污染源废气中的汞含量,有助于维护环境质量和人类健康。此方法为污染源治理提供科学支持,支持制定和执行废气汞排放的监管政策和措施。通过准确测定废气中汞的浓度,冷原子分光光度法为科学研究提供了有关废气中有害物质的重要数据,有助于深入研究汞的排放与传播机制。此研究的成功应用为环境保护和科学研究领域提供了高效、可靠的汞分析方法,有望在未来的环境监测和废气治理中发挥重要作用。

热分解-汞齐化富集-冷原子吸收分光光度法测定工业废盐中的汞含量

本研究尝试建立利用热分解-汞齐化富集-冷原子吸收分光光度法测定工业废盐中汞含量的方法。本研究方法在进样量为0.1g,样品干燥温度为150℃,干燥时间为20s,热分解温度为750℃,分解时间为180s,汞齐化时间为12s,读数时间为30s的条件下用直接测汞仪检测工业废盐中的汞含量。实验结果显示,方法测定范围为0.001μg/g~5μg/g,相关系数R2优于0.9999,汞含量的检出限为0.0002μg/g,相对标准偏差(RSD)在6.34%~7.55%范围内,工业废盐样品加标回收率在89.8%~121.4%范围内。该方法操作简便、耗时较短、无基体干扰、重现性好、准确度高,适用于生态环境损害鉴定评估、固体废物鉴别等工作中工业废盐的汞含量测定。

冷原子量子真空测量设备小型化研究进展综述

量子真空测量是未来真空计量技术的重要发展方向,其基于物质的本征物理性质开展,具有无需校准、对真空环境扰动小、精度高等特点。目前,实验室规模的冷原子量子真空测量设备已经表现出了优秀的性能,科学家们正在努力推进量子传感器的实际应用,这意味着冷原子量子真空测量设备必须从实验室规模的大型平台转变为紧凑的小型化量子传感器。这要求小型化冷原子量子传感器同时具有很小的体积,以及在极端动态条件下优秀的工作性能。在本文中,介绍了冷原子量子传感器小型化的最新进展,重点关注了原子冷却所需的关键元件,包括激光系统、原子源、磁光阱和线圈等。讨论了各元件的小型化方案以及对传感器性能的影响,并对冷原子量子真空传感器的发展进行了展望。

冷原子干涉加速度测量技术研究现状与发展动态分析

高精度加速度测量在惯性导航与重力场测量等领域有着广阔的应用前景。基于冷原子干涉的加速度测量传感器能够充分发挥原子物质波波长短、演化时间长和频率响应精确等特点,比传统加速度计和重力仪等惯性传感器具有更高的测量灵敏度、精度和长期稳定性,为现有加速度测量技术带来重大变革。从冷原子干涉加速度测量的基本原理出发,综述了30多年来国内外冷原子干涉加速度测量技术的研究进展,结合惯性导航对加速度测量的技术需求,分析总结了冷原子干涉加速度测量技术的发展动态与重点发展方向是系统的集成化与小型化、重复频率和测量带宽的提高、与经典加速度计的复合以及多轴加速度测量等,旨在提升和完善冷原子干涉加速度传感器的整体性能,以推动冷原子干涉加速度传感器向工程应用迈进,为满足高精度惯性测量的国防战略需求提供有力支撑。

非扩散性三光束冷原子吸收法直接测定大米中的汞

基于热解-催化还原-冷原子吸收法原理,采用直接进样测汞法测定大米中的汞含量。稻米样品经脱壳、粉碎、研磨后过孔径为0.425 mm的筛,称取一定质量的样品置于样品舟内,样品经干燥、分解、催化、汞齐化富集,生成的汞蒸汽由氧气导入冷原子吸收器,在波长253.7 nm处检测,用标准曲线法定量。汞的质量在0~200.0 ng的范围内与吸光度峰面积线性关系良好,相关系数为0.9999,检出限为0.0148μg/kg。样品加标回收率为92.6%~101.8%,大米样品和大米粉中汞成分分析标准物质测定结果的相对标准偏差分别为2.8、2.4(n=6)。该方法简单、快捷,无需样品前处理过程,可作为大米中汞的检测方法。

催化裂解-金汞齐富集-冷原子吸收光谱仪测定土壤样品中总汞含量

为避免汞消解过程中产生的蒸发损失及前处理过程中产生器具与样品污染,通过配制汞总量为0~2、0~15和25~1 023 ng的三种不同汞浓度系列的标准工作曲线,选取9个土壤样品、3种国家土壤有证标准物质,同一样品分别进行6组平行测定,并抽取3个土壤样品进行3种不同浓度加标回收实验,以对其方法精密度和准确度进行论证,建立了催化裂解-金汞齐富集-冷原子吸收光谱法即直接测汞仪测定土壤样品中汞含量的方法。结果显示,仪器信号值与Hg总量之间均呈良好的线性关系。根据仪器多次测定空白数据结果,按照称样量0.1 g计算,方法检出为0.09 ng/g;平行测定结果相对标准偏差均小于10%,土壤标准物质测定值与参考值均相符,不同浓度的加标回收率范围为69.0%~97.0%。方法可用于批量土壤样品中汞含量的快速测定,精密度和准确度可满足测定要求,且实验过程中无需前处理消解,操作方便、快速高效。

微伽级冷原子重力仪研究

在石油及矿产勘探和地质构造研究等领域,重力法是一种常用的重要方法,重力法的应用范围在很大程度上取决于重力测量设备—重力仪,高精度重力仪对重力法的应用和普及起着重要作用。因此提出研究有望用于物探领域的高精度小型化冷原子重力仪。首先,用改进的磁场线圈代替昂贵且笨重的坡莫合金来实现杂散磁场的屏蔽;其次,利用一个紧凑且小尺寸的被动隔振平台来实现地面振动的抑制。在探询时间为120 ms且重复率为2.2Hz的情况下,该冷原子重力仪的重力测量灵敏度达到1.0×10-7g/Hz1/2;1 000 s积分时间,重力测量分辨率为5.7×10-9g。为了验证冷原子重力仪设备的稳定性,不间断测量了128 h的潮汐信号。除此之外,发生在2013年9月28号巴基斯坦的一小时地震波信号被我们的高精度冷原子重力仪采集到,该信号与附近的传统地震仪测量到的地震波信号完全吻合。

超冷原子动量光晶格中的非线性拓扑泵浦

在拓扑系统中,探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注,其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦.本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统,有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper(AAH)模型,研究非线性拓扑泵浦的实验方案.首先,通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化,得到了非线性系统的孤子态解.然后,分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运,发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征,由所占据能带的陈数决定,并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性.同时还计算了在不同相互作用强度下,系统最低能带和最高能带对应陈数的分布.最后,基于^(7)Li原子的动量光晶格实验系统,提出了一个非线性拓扑泵浦方案.本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程,并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响.结果表明,在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性.本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径,有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.

超导-冷原子复合系统的研究进展

超导-冷原子复合系统因能够实现快速门操控、长寿命存储和光纤中长距离传输等特点,被认为是实现两台超导量子计算机光互联的最有潜力的复合体系之一.本文综述了近年来基于超导-冷原子复合系统实现两台超导量子计算机光互联的研究进展,包括超导芯片与冷原子相干耦合、微波光波相干转换和超导量子比特与量子转换器长程微波互联.对该复合量子系统的研究将为超导量子计算机之间的实用化光纤互联奠定物理和技术基础,有望在分布式超导量子计算机和杂化量子网络中获得广泛应用.

光晶格作用下里德伯冷原子系统中的二维空间光孤子

实现高维光孤子是非线性光学研究中一个长期的目标.本文设计了一个里德伯冷原子与贝塞尔晶格势耦合的系统,发现了一系列稳定的二维空间光孤子簇,包括基极孤子、二级孤子、四级孤子和涡旋孤子.研究表明,光传播系数、非局域非线性系数、贝塞尔晶格常数可以用来调控光孤子的产生、空间分布及演化;在系统参数的调控下,该光孤子簇具备空间稳定性,能够在一定距离内稳定传播.本研究为高维空间光孤子的产生和调控提供了一种新的思路.

冷原子干涉动态重力测量中的噪声与系统效应分析

采用灵敏度函数分析法对冷原子重力仪的噪声进行了分析,并基于各噪声对应的传递函数建立噪声传递模型,定量分析评估了振动噪声、拉曼光相位噪声和磁场噪声对重力测量灵敏度的影响。基于科里奥利力和稳定平台倾斜角等系统效应的修正公式,建立系统效应分析模型,定量分析评估了航向角偏差、速度偏差和纬度偏差对科里奥利力修正量的影响,以及倾斜角偏差对稳定平台倾角修正量的影响。仿真和部分实测数据表明,一方面,各噪声被限制到特定水平时,其对原子干涉灵敏度的影响仍可达μGal级;另一方面,1°的航向角偏差或0.1 m/s的速度偏差对科里奥利力修正量的影响可达1 mGal以上,1′的倾斜角偏差对稳定平台修正量的影响也可达0.42 mGal,说明噪声和系统效应的影响都是不容忽视的。因此,在动态条件下,冷原子重力仪必须进行噪声抑制和系统效应修正,才能获得预期的高灵敏度、高精度重力测量结果。

冷原子重力仪研究进展综述

冷原子重力仪利用激光冷却、原子干涉操控、原子探测等技术实现绝对重力加速度测量,是30年来得以快速发展的一种新型量子传感器,目前其测量灵敏度已经超过传统激光干涉绝对重力仪,测量不确定度也达到同等水平,在计量溯源、基础科学研究、地球物理、资源勘探、自主导航等方面具有重要的应用价值。对冷原子重力仪的原理和优势进行了分析,介绍了冷原子重力仪的系统组成和发展趋势,对冷原子重力仪的国内外研究水平、发展动态和趋势,特别是在动态应用场景下的要点进行了分析和梳理。

基于氧化/吹扫捕集-冷原子荧光光谱法测定海水中痕量总汞

基于氧化/吹扫捕集-冷原子荧光光谱法,建立了准确测定海水中痕量总汞的方法.采用硫酸和过硫酸钾体系氧化海水样品,盐酸羟胺预还原,再经氯化亚锡将全部的汞离子还原为单质汞,原位吹扫和金汞齐捕集,在波长253.7 nm处原子荧光光谱法分析测定.结果表明:该方法回收率为94%—104%,精密度相对标准偏差为2.1%—3.6%,方法检出限为0.1 ng·L^(−1),测定下限为0.4 ng·L^(−1),与现行国标方法相比,该方法增加了原位吹扫捕集的前处理步骤,因而灵敏度更高,检出限更低,也具有很好的稳定性.用不同海区实际海水样品进行验证,结果显示,该方法满足实际样品的分析需求,建议在海水水质的汞监测领域能够拓展应用.

中国空间站冷原子光钟激光系统

中国研制的世界首台空间冷原子光钟于2022年10月31日随“梦天”实验舱成功发射,进入中国空间站.紧凑稳定的激光系统是实现光钟空间应用的关键环节.本课题组提出类同步调谐方案,研制了高性能外腔半导体激光器,能同时满足空间光钟对激光器调谐范围、线宽和力学热学稳定性的要求.采用注入锁定和锥形放大器进行激光功率放大,满足了空间光钟对激光功率的要求.本文简要介绍了空间冷原子光钟的系统构成、激光器方案和电控系统,并对光钟激光系统面临的问题和发展方向进行了总结和展望.

基于机器学习的单拍冷原子成像

在冷原子研究中,通常采用吸收成像的方式来进行冷原子状态的探测,然而该成像方式受探测过程中光学平面干涉、激光功率、频率、空间位置抖动等方面的扰动,最终形成的冷原子图像总是会出现残余部分空间结构噪声,导致成像质量的下降.尤其是对于冷原子密度稀薄的区域或者飞行时间较久的情况,往往需要大量的重复和平均才能得到理想的信噪比,然而这样不仅导致时间周期大幅度增加,还会引入大量随机噪声.本文基于机器学习提出了一种单拍冷原子成像方案,在该方案中仅需对冷原子进行单次吸收成像,对应背景图片可以通过自动编码器的神经网络来进行生成,有效地降低了成像的空间条纹噪声,大幅度提高成像质量,可以用于冷原子单循环多次成像.

冷原子温度测量方法的研究进展

随着激光冷却技术的快速发展,冷原子已经成为新兴量子技术的关键平台之一,包括量子传感、量子精密测量、量子模拟和量子计算等。而冷原子温度是冷原子实验的一个重要参数,超低温原子具有碰撞率低、相干时间长、多普勒展宽小等特点,因此对冷原子进行温度测量具有重要的科学意义和应用价值。本文综述了冷原子温度测量方法的研究进展,首先设计并实现了一个简单的方法来快速无损地测量冷原子系综中所选区域的温度;其次从大约20μK的冷原子系综中过滤出亚μK的冷原子,通过实验演示了麦克斯韦妖模型的一种初始形式。

基于冷原子的非平衡量子多体物理研究

量子多体物理和非平衡物理相结合,是当前物理学研究的重要机遇和挑战.非平衡量子多体物理不仅是当前物理学多个分支共同感兴趣的问题,而且是发展新兴量子科技不可或缺的理论基础.冷原子体系为研究非平衡量子多体物理提供了理想的平台.冷原子等人工量子体系的优势,体现在研究孤立系统热化、和环境耦合导致的耗散、系统参数的扫描、跳变和周期驱动等多种非平衡动力学过程.本文结合笔者的研究成果,给出3个具体的例子,展示基于冷原子的非平衡量子多体物理的研究,如何突破拓扑物理研究的已有框架,发展新的测量量子多体关联的方法,以及丰富规范理论研究的内涵.这类研究聚焦量子多体系统的拓扑、关联等基本性质,利用冷原子体系的优势以实现理论和实验的定量结合,以期提炼出具有普适性的物理规律,并推广到凝聚态物质、核物质等其他物理系统的非平衡过程.