重大突破!JILA研发新型矢量光泵磁强计,测量精度大幅提升
2025年2月7日消息,光泵磁强计(OPM)在很多领域都派得上大用场,像生物传感、检查违禁品、磁通信,甚至在寻找暗物质的时候也能发挥作用,还被看作是量子增强测量的一把好手。不过,OPM有个麻烦,它原本只能做标量运算,想要做出精确的矢量磁强计可不容易,因为标量OPM得靠外部参考才能知道方向信息。虽说标量测量在不少时候够用了,但要是对精度要求特别高,矢量OPM的精准校准就显得格外重要。

最近,由科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所一起成立的JILA研究团队可厉害了,成功做出了一种新型矢量OPM。这个新仪器有个独特本领,它能利用铷原子流形之间驱动的拉比振荡,测量出磁场相对于微波场极化椭圆结构的方向。
研究人员先找了一个气室,里面装着大概一千亿个变成蒸汽状态的铷原子,然后把气室放在微波信号下面。接着,再用磁场冲击气室,这时候气室里的原子就会发生偏移。最后,研究人员用激光去测量原子能量的变化。辛迪・雷加尔教授打了个比方:“原子就像一个装满信息的大仓库,我们就像寻宝人,从它们身上挖掘信息,这样就能知道磁场有没有小变化,还有磁场到底朝着哪个方向。”
雷加尔教授还说,当原子被微波信号撞到的时候,它内部结构就会“晃悠”起来,这种“晃悠”可藏着大学问。“我们只要解读好这些‘晃悠’,就能知道原子能量变化的强度,自然也就知道磁场方向了。”在这次研究里,团队通过观察原子能量变化,也就是原子的“晃悠”,把磁场方向的测量精度提高到了接近百分之一度。

研究团队只靠原子测量,就能发现微波矢量参考里的漂移,还能把那些系统性偏移给修正过来。为了让仪器在任何角度都能正常工作,他们还想出了用缀合态共振的拉比测量方法。这次测量是在蒸气室平台里做的,对于差不多50微特斯拉的地磁场强度,平均矢量精度达到了0.46毫弧度,矢量灵敏度低到每平方根赫兹11微弧度,比现在好多用原子蒸气和电磁矢量参考的OPM方法都要厉害。研究员道森・休瓦特形象地说:“每个原子就像一个小指南针,我们有十亿个小指南针,合在一起就能变成超精确的测量工具。”
从以后的用处来看,这些研究成果以后能用来做量子传感器,比如画出大脑活动的图,帮飞机找准方向。斯文亚・克纳普教授说:“磁成像可神奇了,它能让我们探测到藏在又密又不透光地方的信号源,不管是在水下、混凝土下面,还是在脑袋里都没问题。”和那些用久了零件会变的机械设备不一样,原子一直都是稳定的。
现在,团队打算在把新型矢量OPM真正用起来之前,再把它的精度提高提高。研究人员盼着以后飞机驾驶员能用上基于原子蒸气的矢量OPM,通过追踪地球磁场的细微变化来给飞机导航,就像候鸟靠着天生的生物磁传感器找路一样。克纳普教授说:“现在大家都在想,我们到底能把这些原子系统的能力发挥到什么程度。”
这项超厉害的研究成果已经发表在《Optica》杂志上了,给矢量OPM的发展和应用打开了全新的大门。
-
高精度光学定心取边加工系统设计与技术解析
高端光学系统的成像质量高度依赖光学元件的同轴度与装配应力控制,光学定心取边(又称定心车削)是实现光机共轴、消除装配误差的核心工艺。本文详细介绍了光学定心取边加工系统的整体架构、工作原理与核心子系统设计方案,阐述了该技术在提升光学装调精度、实现无应力装配方面的核心价值。
2026-05-25
-
镜头调制传递函数(MTF)图原理与应用指南
MTF图作为光学镜头性能的量化可视化工具,为镜头的研发测试与用户选型提供了客观统一的参考依据。其核心价值可概括为:10线/mm曲线评估对比度、30线/mm曲线评估分辨率,曲线高度反映绝对性能、平缓度反映画质一致性、双线贴合度反映像散控制水平。在实际应用中,应结合具体使用场景与需求,以MTF图为核心参考,综合多维度性能指标进行镜头选型与性能判断。
2026-05-25
-
突破高端光学装调技术瓶颈!秒级精度镜头轴线定心校准方案解析
传统光学镜头高度依赖人工装调经验,普遍存在装配误差大、成品一致性差、量产效率低、环境适应性弱等问题,长期制约着高端光学设备的国产化量产与性能升级。针对这一行业痛点,西安应用光学研究所团队创新研发出一套秒级精度光学镜头轴线精确定心校准技术体系,通过全流程闭环管控与一体化精密加工工艺,彻底解决光轴偏移、成像误差等核心难题,为高端光学镜头精密制造提供了全新技术路径。
2026-05-25
-
多基准轴透射式离轴光学系统高精度定心装调方法
星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,是陆地植被监测、海洋环境探测等领域的核心载荷。为校正分光系统引入的畸变,星载光谱仪成像透镜多采用离轴透射式设计,由此形成的多光轴结构存在大倾角、大偏心特征,超出了传统同轴系统定心装调方法的适用范围。本文提出一种多基准轴定心装调方法(Multi-referenceAxisAlignment,MAA),通过镜筒结构一体化加工预置各光轴的偏心与倾斜参数,结合光学平板实现基准轴的高精度引出,将复杂多光轴系统的装调拆解为多个单光轴子系统的独立装调,突破了传统定心仪的测量范围限制。针对某星载光谱仪3光轴离轴透射系统开展装调验证,实测结果表明,透镜最大偏心误差小于25.4μm,最大倾斜误差小于17.7″,系统实际畸变与理论值平均偏差小于0.32μm,全面满足设计指标要求。该方法为离轴折射类光学系统的高精度装调提供了可行的技术路径,拓展了透射式光学系统装调的适用边界。
2026-05-22
-
平凸透镜朝向对光束会聚效果及像差特性的影响分析
平凸透镜是各类光学系统中应用最为广泛的基础折射元件之一,属于典型的无限共轭透镜,核心光学功能分为两类:一是将点光源出射的发散光束准直为平行光束,二是将入射的准直平行光束会聚至单点。在激光光学、显微成像、光电检测等领域的光路设计与装调中,平凸透镜的安装朝向是直接影响系统性能的核心参数,其选择直接决定了像差水平与最终会聚效果。
2026-05-21
