新型激光器可以將 GPS 替代品塞進(jìn)鞋盒

極其靈敏的運(yùn)動傳感器可以幫助船舶跟蹤其在海上的位置，即使在惡劣的天氣或軍事對手干擾 GPS 信號時也是如此。然而，這些先進(jìn)的傳感器通常具有實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種新的激光系統(tǒng)，以幫助使這些傳感器適合放在鞋盒中，并且有可能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

可穿戴設(shè)備中的運(yùn)動傳感器通常對千分之一 g 范圍內(nèi)的加速度敏感。新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家 Ashok Kodigala 說，更大、更昂貴的加速度計(jì)可以幫助輪船、飛機(jī)和其他車輛在沒有 GPS 的情況下導(dǎo)航，它大約有葡萄柚那么大，并且“具有 100 微克左右的靈敏度”。

冷原子干涉儀比這兩種移動加速度計(jì)都更準(zhǔn)確。Kodigala 說，這些傳感器目前的靈敏度為十億分之一 g，未來可能達(dá)到萬億分之一 g。

原子干涉儀是量子傳感器的例子，它依賴于在宇宙最微小尺度上出現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象。這些量子效應(yīng)對外部干擾非常脆弱，量子傳感器利用這一脆弱性來響應(yīng)環(huán)境中最輕微的干擾。量子傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性達(dá)到了前所未有的水平，可用于檢測思想磁場等潛在應(yīng)用。

Atom 干涉儀的工作原理

原子干涉儀依賴于一種稱為疊加的量子效應(yīng)，其中一個原子基本上可以同時存在于兩個或多個地方。傳感器具有這些原子的薛定諤貓狀狀態(tài)沿不同的路徑傳播，然后重新組合它們。由于波粒二象性（粒子可以像波一樣作用的量子現(xiàn)象，反之亦然），這些原子相互干涉，它們的波峰和波谷相互增強(qiáng)或抑制。分析這種干擾的性質(zhì)可以揭示在它們各自的路徑上所經(jīng)歷的略有不同的運(yùn)動的程度。

Atom 干涉儀可以實(shí)現(xiàn)無 GPS 導(dǎo)航。幫助實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鏈路在地下或水下都不起作用，即使它們工作，也容易受到干擾、欺騙甚至天氣的影響。量子運(yùn)動傳感器可以幫助作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)不依賴于任何外部信號。

“除了導(dǎo)航之外，量子慣性傳感器的精度和穩(wěn)定性也使其適合從太空繪制地球引力圖，以研究水、冰蓋和海平面的運(yùn)動以進(jìn)行氣候分析，”Kodigala 說。

然而，原子干涉儀通常足夠大，可以填滿一個小房間。“即使是移動設(shè)備也有迷你冰箱那么大，”Kodigala 說。

原子干涉儀中的激光系統(tǒng)將原子驅(qū)動到疊加狀態(tài)，這是儀器中最復(fù)雜的組件。它們每個通常都與冰箱大小差不多。

收縮原子干涉儀

現(xiàn)在，Kodigala 和他的同事們開發(fā)了一種硅光子調(diào)制器——一種在原子干涉儀中控制光的裝置——可以安裝在微芯片上?！白罱K，這將使量子慣性傳感器小型化到鞋盒或更小的大小，使其更適合各種應(yīng)用，”Kodigala 說。

以前，Kodigala 和他的同事探索了減小原子干涉儀尺寸、重量和功率需求的方法。例如，他們用鱷梨大小的真空室取代了大型、耗電的真空泵，并將通常巧妙排列在光學(xué)平臺上的幾個組件整合到一個剛性裝置中。

在一項(xiàng)新的研究中，研究人員在“大約一分錢大小”的芯片上的激光系統(tǒng)中使用了他們的四個新調(diào)制器，Kodigala 說。這些設(shè)備改變了單個激光器的頻率，以幫助它執(zhí)行多個激光器在原子干涉儀中的作用。

光子調(diào)制器通常會產(chǎn)生不需要的回波，稱為邊帶，這可能會破壞傳感器性能。新的調(diào)制器將這些邊帶降低了前所未有的 47.8 分貝，該指標(biāo)通常用于描述聲音強(qiáng)度，但也適用于光強(qiáng)度。這導(dǎo)致調(diào)制器的邊帶強(qiáng)度下降了近 100,000 倍。

小型化原子干涉儀的激光系統(tǒng)也可能有助于降低成本。研究人員說，使用與幾乎所有計(jì)算機(jī)芯片相同的工藝，可以在單個 8 英寸晶圓上制造數(shù)百個調(diào)制器，其成本比傳統(tǒng)原子干涉儀中笨重、昂貴的同類產(chǎn)品低得多。

“將其他光子組件集成到芯片級方面還有更多的工作要做，但這是一個很好的開始，也是同類產(chǎn)品中的首創(chuàng)，”Kodigala 談到該團(tuán)隊(duì)的最新研究時說。

研究人員確實(shí)將他們的新調(diào)制器集成到原子干涉儀中。雖然他們沒有直接測量其靈敏度，但“這款加速度計(jì)的最終性能還無法與目前最好的實(shí)驗(yàn)室量子慣性傳感器競爭，”Kodigala 說。“我們在這方面繼續(xù)取得進(jìn)展?！?br/>