上海光学精密机械研究所----上海光机所发表《芯片级冷原子传感技术进展》综述

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超强激光科学卓越创新简报

(第七百七十八期)

2026年5月22日

上海光机所发表《芯片级冷原子传感技术进展》综述

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所王俊研究员团队于《Advanced Photonics Nexus》发表题为“Advances in chip-scale cold atom photonic technologies”的综述文章。文章系统梳理了近年来芯片级冷原子传感技术领域的重要进展，具体包括面向冷原子系统的片上激光稳频与窄线宽技术、光子‑原子耦合芯片、微型高真空腔、平面磁线圈及集成微腔光频梳等核心部件的最新进展，并对全芯片化冷原子平台的发展趋势作出展望。

冷原子系统凭借超长相干时间和超高测量精度，在原子钟、惯性导航、重力测量等领域具有不可替代的优势。然而，传统装置依赖庞大的自由空间光学元件，受限于尺寸、重量、功耗与成本（SWaP‑C），难以走出实验室。光子集成芯片（PIC）为解决这一瓶颈提供了根本性路径。近年来，研究团队围绕芯片级冷原子系统的关键科学与技术问题展开系统研究，在多个核心方向取得系列进展：

在片上激光稳频与窄线宽方面，综述了基于集成原子气室的激光稳频方案、硅基Pound‑Drever‑Hall（PDH）稳频芯片以及亚赫兹线宽的片上受激布里渊散射（SBS）激光器。特别值得关注的是，钛宝石薄膜激光器通过异质集成实现了730–830 nm可见光波段片上光源，阈值低至6.5 mW，为芯片化冷原子光源开辟了新路径。

在片上光子‑原子耦合方面，文章从传统六束磁光阱（MOT）出发，系统回顾了金字塔型、三镜型、光栅型以及波导光栅MOT和超表面（metasurface）MOT的演进历程。其中，光栅MOT（GMOT）仅需单束入射光即可实现三维冷原子俘获，原子数达10⁷量级、温度低至3 μK；基于硅基波导光栅的MOT芯片，通过模式扩展器和弯曲光栅实现了毫米尺度出射光斑，在芯片上方约9 mm处形成MOT；超表面MOT可在厘米尺度芯片上产生10⁸量级⁸⁷Rb冷原子，为单片集成提供了新范式。

在微型高真空腔与平面线圈方面，综述了增材制造（3D打印）钛合金腔、陶瓷腔及MEMS硅基腔的最新成果，部分方案可在被动维持下实现10⁻⁷ Pa真空并稳定工作超500天。同时，单层或双层PCB反亥姆霍兹线圈可产生10 G/cm梯度磁场，结合光栅芯片和MEMS腔实现芯片级MOT。

在集成微腔光频梳方面，微腔光梳可在单个芯片上产生宽谱、相干的频率网格，用于绝对光学频率锁定、光频合成及泵浦‑信号光的相位相干链接，有望大幅简化冷原子系统的激光架构。

在系统集成与应用方面，文章展示了紧凑型冷原子传感的典型实例，包括：集成MOT无人机平台；增材制造超真空腔体实现全系统仅0.15 m³、3.2 kg的轻量化MOT；钻孔可部署MOT；以及研究团队自身实现的基于超表面芯片的紧凑MOT。

展望未来，文章指出，芯片级冷原子平台正经历从“分立器件验证”向“全片上集成”的关键转型。核心挑战包括：①超低损耗可见光波导与超高Q谐振器——实现片上激光稳频与窄线宽的关键；②高效光子‑原子耦合——需解决偏振转换、大功率出射及多波长异质集成问题；③芯片级低漏气被动高真空系统——摆脱主动离子泵，实现长寿命封装；④片上冷原子云的退相干抑制——需攻克近表面Casimir‑Polder效应、Johnson噪声等物理极限。

随着光芯片技术与冷原子物理的深度融合，全芯片化冷原子传感器将在下一代量子导航、星载原子钟、移动重力梯度测量及中性原子量子计算等领域发挥不可替代的作用。

本工作中，上海光机所杨晓飞为第一作者，王俊研究员和陈卫标研究员为共同通讯作者。相关研究得到了国家重点研发计划（2024YFA1409400）等项目资助。