FRAUNHOFER CAP：用于感应局部重力梯度的高性能紧凑型锥形放大器

时间： 2024-06-20 来源：COHERENT（高意激光）官网

技术问答

挑战

用户普遍需要一种实用且经济的工具来测量具有高灵敏度的局部重力梯度，以用于包括寻找排水口、定位旧管道和绘制油田枯竭图在内的应用场合。弗劳恩霍夫应用光子学中心（英国格拉斯哥）量子技术业务部的研究人员目前正在与工业合作伙伴 Alter Technology TÜV Nord UK Ltd. 合作，将原子干涉仪用作便携式解决方案。

Bohlin 博士Loyd McKnight 是量子技术业务部的负责人，他解释说：“我们希望应用我们在用于原子干涉测量的激光系统方面的专业知识，以展示如何创建便携式系统。”在原子干涉测量中，使用激光冷却可在真空容器中产生一小团超冷原子（例如铷）。这些原子受到局部重力的影响，通过用超稳定激光准备它们的状态，我们可以使用它们的波状行为来执行敏感的测量。McKnight 补充说：“将这种已建立的技术从实验室现象转变为实用的现场仪器是一项巨大的挑战。”他指出，操作原子干涉仪需要具有瓦特功率、窄稳定线宽以及低振幅和相位噪声的性能良好的激光束。这些激光器可能复杂、昂贵且体积庞大，几乎不是便携式经济型重力传感器的理想元件！

解决方案

有一种称为分布式反馈 (DFB) 设备的特种二极管激光器，它们广泛用于电信应用，并且可以通过小封装提供低噪声输出。在这种情况下，通过将这些设备的输出“锁定”到低成本的铷蒸气室，它们可以提供出色的稳定性且具成本效益。然而，只有几十毫瓦的DFB根本不具备此应用所需的功率。

幸运的是，Fraunhofer CAP 团队找到了完美的解决方案：相干公司出品的锥形放大器芯片。这些设备采用新颖的芯片设计，可提供小芯片的高质量光学性能和大芯片的高功率。McKnight 解释说：“我们现在可以通过在传统的主振荡功率放大器 (MOPA) 装置中将DFB与这些锥形设备之一相结合，来获得我们的重力传感器所需的激光束性能。由于这些锥形芯片能够提供高质量放大，使最终的MOPA输出保留了稳定DFB振荡器的所有光学特性，包括良好的光束质量和窄线宽，同时具有我们需要的瓦特功率。凭借仅由两个小型二极管芯片组成的高性能激光器，其结果非常适合低功耗的紧凑型便携式装置。”

图 1：锥形放大器芯片是一种紧凑型器件，可以提高二极管激光器的功率，同时保持其低噪声特性。

成效

通过采用这种激光装置，该团队能够成功冷却和捕获重复频率大于 1 Hz 的 3×10⁸ 铷原子，从而满足提议采用的重力传感器的要求。他们现在正在努力进一步减小系统的尺寸、重量和功率。McKnight 总结道：“基于激光的相同量子引擎可用于惯性地理定位传感（例如飞机和潜艇），但其长期绝对精度优于光纤陀螺仪。我们正在与协作者合作，在该领域展示这项技术。”

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