Nature子刊在GPS失效时导航

　　长三角G60  激光联盟导读
　　据悉，来自桑迪亚大学的一个研究团队，将量子惯性传感器设想为革命性的机载导航辅助设备。如果该团队能够将传感器重新设计成一个紧凑、坚固的设备，该技术就可以在GPS信号被阻塞或丢失的情况下安全地引导车辆。
　　LPAI传感器头的横断面效果图。a，显示带有固定光学元件的冷却光束和原子探测通道的水平截面。b，传感器头的垂直截面，显示设计的多普勒敏感拉曼光束路径。来源：Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31410-4
　　像＂坚韧＂或＂坚固＂这样的词很少与量子惯性传感器联系在一起。这一非凡的科学仪器测量运动的准确度，比当今导弹、飞机和无人机导航设备的准确度高出1000倍。但它精致的、桌子大小的组件阵列，包括一个复杂的激光和真空系统，在很大程度上使这项技术保持了接地气，限制在实验室的可控设置中。
　　原子物理学家Jongmin Lee为首的研究团队成功地制造了一个冷原子干涉仪，这是量子传感器的核心组件，设计得比典型的实验室设备要小得多，也更坚固。学术期刊《 Nature Communications 》上刊登了他们的文章，描述了实验原型，展示了如何将几个通常分离的组件集成到一个单一的整体结构中。在这样做的过程中，他们将存在于一个大型光学桌上的系统的关键部件简化为一个鞋盒大小的坚固包装。
　　自定义钛真空封装和真空安装光栅芯片的图像。
　　＂在实验室中已经证明了非常高的灵敏度，但实际问题是，为了在现实世界中应用，人们需要缩小尺寸、重量和功率，然后在动态环境中克服各种问题。＂Jongmin说。
　　本文还描述了使用正在开发的技术进一步使系统小型化的路线图。
　　由桑迪亚实验室指导研究与发展项目资助的原型车，展示了先进导航技术在实验室外进入地面、地下、空中甚至太空飞行器方面取得的重大进展。
　　高动态条件下的紧凑光脉冲原子干涉仪(LPAI)的概念。a紧凑型LPAI传感器头的3D效果图，具有固定光学元件和可靠的光学机械设计。b传感器头部稳态GMOT原子图。来源：Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31410-4
　　超灵敏的测量驱动导航功率
　　当一架喷气式飞机在空中做桶状滚转时，目前的机载导航技术可以测量飞机的倾斜、转弯和加速度，在没有GPS的情况下计算出它的位置。但微小的测量误差会逐渐使飞行器偏离轨道，除非它定期与卫星同步。现在Jongmin的实验室解决了这个问题。量子传感将以同样的方式运行，但更高的精度意味着机载导航不需要经常交叉检查其计算，减少对卫星系统的依赖。
　　该项目的首席工程师Aaron Ison说，为了让原子干涉仪适应动态环境，他和他的团队使用了在极端环境中验证过的材料。此外，通常独立的部件被集成在一起并固定在适当的位置，或使用手动锁定机制建造。
　　此外，该团队使用了被称为有限元分析的行业标准计算，以预测在常规环境下系统的任何变形都将在要求的允许范围内。Sandia还没有对新设计进行机械应力测试或现场测试，因此需要进一步研究来测量设备的强度。
　　桑迪亚原子物理学家Jongmin Lee正在检查冷原子干涉仪的传感器头，该干涉仪可以帮助车辆在GPS无法使用的情况下保持航向。来源：Bret Latter
　　光子学为更小型化的系统指明了道路
　　为了稳定起见，大多数现代原子干涉测量实验使用安装在一个大型光学台上的激光系统。桑迪亚的设备相对来说比较紧凑，但该团队已经提出了进一步的设计改进，利用集成光子技术使量子传感器更小。
　　该项目的首席研究员、量子传感专家Peter Schwindt说:＂一块比一分钱还小的芯片上可以放置数十到数百个元素。＂
　　采用单种子激光器和时复用频移的LPAI激光器结构。
　　光子设备，如激光或光纤，利用光来完成有用的工作，集成设备包括许多不同的元素。光子学广泛应用于电信，正在进行的研究正在使它们更小，更多功能。
　　在他们的论文中，桑迪亚团队概述了一个未来的设计，在这个设计中，他们的大部分激光装置将被单个光子集成电路所取代，每边大约8毫米长。将光学元件集成到电路中不仅会使原子干涉仪更小，还会通过固定元件使其更坚固。
　　虽然该团队还不能做到这一点，但他们需要的许多光子技术目前正在桑迪亚进行开发。
　　与此同时，Jongmin表示，集成光子电路可能会降低成本，提高未来制造的可扩展性。
　　来源：A compact cold-atom interferometer with a high data-rate grating magneto-optical trap and a photonic-integrated-circuit-compatible laser system, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31410-4
　　长三角G60激光联盟陈长军转载