弗劳恩霍夫CAP：用于感应局部重力梯度的高性能紧凑型锥形放大器

挑战

用户普遍需要一种实用且经济的工具，用于测量高灵敏度的局部重力梯度，以满足包括寻找排水口、定位旧管道以及绘制油田枯竭图等应用需求。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与工业合作伙伴Alter Technology TÜV Nord UK Ltd.合作，将原子干涉仪作为便携式解决方案加以应用。

博林博士洛伊德·麦克奈特是量子技术业务部的负责人，他解释道：“我们希望运用我们在原子干涉测量激光系统方面的专业知识，展示如何构建便携式系统。”在原子干涉测量中，利用激光冷却可在真空容器内产生一小团超冷原子（例如铷）。这些原子受局部重力影响，通过使用超稳定激光准备其状态，我们可以利用它们的波状行为进行高灵敏度的测量。麦克奈特补充道：“将这种成熟技术从实验室现象转化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性能优良的激光束，其功率需达瓦特级，且需具备窄线宽、低振幅噪声和低相位噪声等特性。这类激光器往往结构复杂、价格昂贵且体积庞大，几乎不可能是便携式经济型重力传感器的理想组件！

解决方案

有一种被称为分布式反馈（DFB）器件的特殊二极管激光器，它们广泛应用于电信领域，并能通过小型封装提供低噪声输出。在这种情况下，通过将这些器件的输出“锁定”到低成本的铷蒸气腔中，它们能够提供出色的稳定性且具有成本效益。然而，仅有几十毫瓦输出功率的DFB器件根本无法满足该应用所需的功率要求。

幸运的是，弗劳恩霍夫CAP团队找到了完美的解决方案：高意 生产的锥形放大器芯片。这些器件采用创新的芯片设计，既能提供小芯片的高质量光学性能，又能实现大芯片的高功率。麦克奈特解释道：“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 与这种锥形器件之一相结合，从而获得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，使得最终的 MOPA 输出保留了稳定 DFB 振荡器的所有光学特性，包括优良的光束质量和窄线宽，同时具备我们所需的瓦级功率。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设备。”

成效

通过采用这种激光装置，该团队成功冷却并捕获了重复频率大于 1 Hz 的^3×10⁸个铷原子，从而满足了拟采用的重力传感器的要求。他们目前正致力于进一步缩小系统的尺寸、减轻重量并降低功耗。McKnight 总结道：“基于激光的相同量子引擎可用于惯性定位传感（例如飞机和潜艇），但其长期绝对精度优于光纤陀螺仪。我们正与合作者共同努力，在该领域展示这项技术。”

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