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超强激光科学卓越创新简报

(第八百零三期)

2026年7月21日

上海光机所在冷原子速度矢量精确控制方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所光电前沿交叉研究部魏荣研究员团队在冷原子精密操控领域取得重要突破，实现了一种基于独立调节移动光学粘胶的冷原子云发射速度矢量三维精密控制方法，相关成果以 "Precise control of launch velocity vector for cold atomic cloud based on moving optical molasses" 为题，发表于Applied Physics Letters。

以速度表征的冷原子外态是基于冷原子量子调控的重要参数，对原子喷泉钟、重力仪、陀螺仪等高精度量子干涉装置的测量准确度具有重要影响。冷原子抛射速度方向的传统控制方法依赖高精度机械和光学装调，装调完成后仅能调节速度大小。若需调整速度与重力场的相对角度，目前是通过微调装置整体倾角实现。该方法装配调试复杂，控制精度低。针对上述问题，研究人员提出了一种全光学的速度矢量调控方案，通过独立调节三对正交对射冷却光的相对失谐量，实现了冷原子团三维速度分量的独立精确调控。研究团队在标准⁸⁷Rb 原子喷泉钟装置上完成了该方法的实验演示。该方法实现了在原子喷泉正常运行过程中的实时速度精确调控，抛射速度精度优于62 μm/s。研究表明，对射光强起伏（3%）是影响矢量精度的主要原因，精确控制对射光功率平衡有望使速度矢量的控制精度达到1μm/s。研究人员还演示了该方法对喷泉钟倾斜偏差的测量与校正，校正后原子团发射方向与垂直方向夹角小于 0.1 mrad。

该全光学调控方法具有操作简便、响应迅速、控制精度高、动态范围广等显著优势，不仅在时频计量、引力场探测、物理常数测量、基本物理原理检验等高精度量子干涉实验中具有潜在应用价值，而且有望作为一种非常灵活的冷原子输运技术，助力冷原子制备和量子相干等诸多实验。

原文链接

图1 (a) 冷原子的三维精确速度调控原理图，(b) 通过下落信号测量冷原子速度矢量的示意图。

图2 原子团抛射速度实验结果。(a)(b)(d)(e) 在两个上抛高度下，扫描水平速度得到冷原子团的水平分布，(c) 确定原子团抛射速度中心，(f) 喷泉钟倾斜角度校正，并与倾角仪对比。

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