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传感与计量

用于计量的激光——将测量性能和测试推向理论极限。

  • 时间和频率
  • 基础理论中的基本常量和验证
  • 原子干涉,旋转和加速。
  • 基于激光的痕量气体分析(ATTA, RIMS)
  • 用于B场测量的非线性磁光旋转
  • 心磁图:测量心脏的磁场
  • 脑磁图:测量大脑(神经元)

计量学是最古老的科学分支之一,在公元前几千年就已得到应用。人们通过太阳和月亮的移动来测量时间,从而得以确定播种和入冬准备的最佳时期。时间是如此的重要,许多文化为此专门建立了奇妙的建筑和宗教场所——一个可能的例子是巨石阵——以纪念它们的神灵,太阳和月亮。后来,人类意识到正确导航需要精确的时间测量,从而开发了越来越精确的时钟。

如今,冷原子或束缚离子的高精度频率测量为人们提供时间和长度标准,并正在提高全球定位系统的分辨率。他们被用于确定基本常量(例如精细结构常数α或里德伯常量)以及物理基本原理的验证(例如基本常量的时间独立性)。

原子干涉仪用于高精度测量引力(引力仪)或旋转(陀螺仪)。他们可用于地震和火山喷发研究,寻找自然资源或隐藏的地下结构,测试地球潮汐规律,验证弱等效原理和广义相对论等。

光谱气体分析常被用于检测气体。基于激光的先进衡量气体分析及同位素比率测定方法可应用于测控污染,测量古老物质年龄,检测地下水,以及检测钚的产生。
 
时间及频率测量 自1967年以来就被称作铯原子标准。一秒被定义为铯133原子于电子基态两个超精细结构能级间振荡9,192,631,770次所需要的时间。该测量首先由拉比(1944年诺贝尔物理学奖)通过微波光谱学方法得以实现,而后由拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖)进一步改善。第一台铯原子钟是基于原子束的。而更新的实现方法,即所谓的喷泉钟,则是利用原子喷泉来提高微波和原子云之间的相互作用,从而在时间测量中达到更好的分辨率。

另一种提高测量分辨率的方法是利用其他原子元素中的光学或紫外波段的能级跃迁,而不是利用铯原子中微波波段的跃迁。在这种情况下,一秒的时间被分为更多次振荡周期(铯原子为10^10量级,而光学及紫外波段则可达到10^15量级),从而实现精度的十万倍提升。实际上来说,基于光晶格内束缚离子或束缚原子的光学原子钟不确定度仅为10-15 到 10-16。现当下精度最高的两种原子钟是基于束缚水银离子(Hg+) 或铝离子(Al+)的,可达到10-17量级精度。这样的时钟走30多亿年才会出现一秒的误差!没有别的测量可以比这个更加精确了。因此,当代精密测量的趋势是,尽可能地将测量转化为频率/时间测量。

基本常量以及基础理论的验证 例如里德伯常量就是通过氢原子高分辨率光谱参照原子钟激光频率测得的。为了测得精细结构常数和时间的关系(根据目前为大众所接受的理论来说应该为0,然而天文观测则表明可能并不为零),人们也可以比较两台不同的原子钟。另外一种高分辨率实验则尝试测量电子的非零电偶极矩,最终拓展到重原子或分子中。同样,根据标准模型及CPT(电荷宇称时间)不变性预测电偶极矩应该为零,然而重要的是可以用越来越高的精度来验证这个理论。例如,有标准模型延伸情况下的预测显示非零偶极矩,其精度比现有测试水平高2到3个量级。可见我们对自然的现有理解正在经受进一步的考量。通过使用各种精准稳定的原子钟,研究人员也可以验证狭义相对论基础原理。例如,光速的各向同性(Michelson-Morley测试)或速度独立性(Kennedy-Thorndike测试)。甚至于广义相对论,例如引力红移的普遍性。这些仅仅是许多有趣实验中的几个例子,另外还有物质与反物质比较等。接下来将简短描述一下原子相干基本常数测量方法。


原子干涉测量 利用原子波动性或原子与光相互作用通过干涉的方式测量物理量。人们可以探测物质波干涉或量子内部能态干涉。一个相关例子就是所谓的Sagnac干涉仪,可以用于测量旋转运动。在干涉区域相同时,利用物质波代替激光光波可实现更高数量级的分辨率。通过在激光激发(拉曼型)期间将光子反射至原子上,原子干涉法可用于测量h/m比率。这样以来,两个基本物理量间的关系可以以最高的精度被测定。通过将此结果与其它精确测量相结合,可获得关于超精细结构的精确数据。另外,利用自由降落的原子云,原子喷泉可被用于测量重力加速度。该测量是通过利用激光诱导拉曼跃迁在原子降落的三个不同时间点(以及垂直向位置)标记其内部能态而实现的。在该实验中,根据干涉装置中两种可能原子轨迹间的相位差,某最终内能态上分布的相对原子数将在0与1之间振动。通过测量相对原子数,人们可以确定相位差并提取重力加速度的精确值。测得数据如此精准,以至于人们可以区分不同的地球潮汐模型。 通过在垂直方向不同高度发射两个原子云,人们也可以提取重力加速度的垂直梯度。通过将重物放在原子轨迹附近并测量其对于原子干涉相位的影响,人们可以进一步测量牛顿引力常量G。类似的设置亦可用于测量引力红移或通过探测不同物体在重力影响下是否以同样方式下落验证弱等效原理。


基于激光的痕量气体分析 通过利用激光窄线宽特性选择性地与一种气体,甚至是一种原子同位素相互作用。通过监控波长被调制到相应谱线激光的吸收或荧光表现,可以探测气体的密度或速度。对于需要更高同位素选择性的痕量气体分析,可利用分段磁分离的方法改进标准IRMS(同位素质谱仪)。这种方法利用分段磁体将不同同位素路径分离,从而探测其相对成分比率。传统热电离方法只能同时电离所有同位素,然而通过利用窄线宽(半导体)激光,人们可以在不同同位素进入质量过滤元件前选择性电离相应同位素。这样以来,高达1013的同位素选择性得以实现。原子阱痕量分析利用磁光阱使得含量非常低的同位素也能够得以(按不同同位素类别)积聚。

低强度磁场的测量 是很困难的。通常的方法依赖于以超导材料为基础的SQUIDs(超导量子干涉装置)。由于在极低温度下才能观察到超导性质(即便所谓的“高温超导”也需在零下123°C才能观察到),该方法需要的测量仪器复杂且昂贵。在过去二十年来,另一种测量技术得以发明并被证明具有很大潜力。该方法通过激光光束泵浦玻璃气室内的原子气样品,使之达到某种特殊的磁状态。这样的原子可以被极强地极化从而使得其磁矩指向某个特定方向。此时利用第二束线偏激光照射样品,根据原子极化情况,第二束激光的线偏方向将相应旋转(非线性磁光旋转),该现象可以得到精确测量。这样以来,由于目标磁场会引起原子极化性质的扰动,从而可以得到探测。类似以激光为基础的磁场测量应用还有很多。它们被用以监控地球磁场以及——如果装置被放在飞机上——其在大气中的变化。医药方面应用则为磁心电图和磁脑电图。这两种方法都是通过分析身体磁场,并通过提供比生物电测量更敏感的工具来探测病理变化的起源。

TOPTICA的附加值 
以上提及的高精度测量需要可调谐激光器,大多数情况下还需具备非常宅的线宽和长期稳定的特性。另外,为了获得最可靠最稳定的激光性能,特殊的电子操纵模块也必不可少。我们为此特意推出Photonicals——激光相关增值配件——以帮助大家更好地表征或操控激光。前文提及的许多实验(甚至可以说是绝大多数)已经通过我们的产品得以成功实现。TOPTICA Photonics 以"A passion for precision"的公司信条为准则,多年来作为内部源动力推动公司进步。我们自始至终对特殊解决方案保持欢迎的开放态度。通过与许多国家纪研究院所和高校合作,以及与之共同承担研发项目,我们能够与科研界建立牢固的关系,这是我们引以为豪的珍贵资源。我们最新的革命性发明PRO技术使得可调谐激光器能够在操作简易的同时提供最高的声学稳定性及窄线宽,并长期保持稳定。Pro系列产品可以帮助您将检测分辨率推进一个层次。我们提供非线性磁光旋转方法中光学泵浦和极化原子所需的激光。这些激光需要被十分精确地调制并稳定于相应原子跃迁频率。通过搭配使用TOPTICA的光纤耦合紧凑型饱和光谱模块(CoSy)(可用于Rb, K, Cs等原子气体)以及数字控制系统DigiLock,可以轻松实现以上功能。