一、中心基本情况
随着量子光学、原子物理等的快速进步,基于磁、光与原子相互作用的量子精密测量技术得到了飞速的发展。量子测量作为基本物理量标定基准先天具有高精度的优势,利用微电子、光电子技术研制基于量子精密测量技术的芯片级量子传感器,可同时实现高精度和芯片化,将引领下一代传感器产业的发展,带来传感器技术的革命。
量子传感技术创新中心是大科学装置研究院下属五个技术创新中心之一,本中心围绕国家经济主战场和人民生命健康领域,开展高性能芯片化原子磁强计、芯片化原子陀螺仪与系统等量子传感器核心器部件与芯片集成技术研究。
二、组织架构与人员情况
量子传感技术创新中心下设5个专业技术研究所,分别为芯片化原子自旋磁强计研究所、芯片化核磁共振陀螺研究所、电子学与控制技术研究所、原子气室与微纳工艺技术研究所、激光器与光学器件技术研究所。
本中心现有教师14人,博士生58人,硕士生69人,具有一支专业齐备人员层次合理的芯片量子传感器专职科研队伍。
三、研究方向与进展
(1)芯片化原子自旋磁强计研究所
磁场测量原理的变革往往带来灵敏度质的突破,本研究所重点研究的基于SERF效应的芯片化原子自旋磁强计,可在fT量级灵敏度前提下,大幅缩小体积,形成阵列式磁测量装备,从而实现对弱磁信号的高信噪比检测,在深空深地探测、基础物理学研究、医疗极弱心脑磁功能信息成像应用领域发挥了重要作用。随着原子磁强计等量子传感器对体积的要求越来越高,微小型化、超低功耗、芯片级系统集成是原子磁强计等量子传感器的发展趋势。目前已研制出芯片化单光原子磁强计和芯片化双光束原子磁强计,全面对标国外公司磁强计产品。
芯片化原子磁强计
(2)芯片化核磁共振陀螺研究所
目前大多数定位导航系统依赖卫星导航定位,但在室内、水下等物理受阻环境以及复杂电磁环境下,卫星导航定位的服务能力将严重下降。研究所重点开展基于磁共振效应的芯片化原子陀螺仪及系统技术研究,该类陀螺能够达到光学陀螺精度和MEMS陀螺的成本体积,是提升未来定位导航系统自主服务应用能力的最有效技术手段,使高精度导航技术广泛应用于自动驾驶、物联网、智能控制等民用领域,带动千亿级量子定位导航新兴产业的形成和发展。
芯片化核磁共振陀螺仪及系统
(3)电子学与控制技术研究所
本中心开展量子精密测量方向所需的窄线宽激光器控制器、微弱信号检测和信号处理与磁补偿控制等所需的软硬件设备,服务于心脑磁成像医学装备、核磁共振陀螺仪的落地应用和指标提升。本研究所主要开展的工作包括:高动态储备的信号采集技术、多通道磁场串扰解耦控制技术、高动态阵列式磁补偿、低温漂快响应的温度控制技术、大功率低噪声的电源技术、精密电流源、基于FPGA的信号处理技术、基于单片机/ARM的嵌入式开发技术等。目前,已研制的阵列式磁强计信号采集与信号处理控制系统、小型化半导体激光器电控系统已经通过医疗级电磁兼容和安规测试,并具备小批量量产的能力,在组内得到广泛的应用,且落地于心脑磁医学成像设备,并获得二类医疗认证,实现产业化应用。
面向量子精密测量的信号采集处理控制板卡和激光控制器
(4)原子气室与微纳工艺技术研究所
本中心开展研制完全自主研发的多种芯片集成原子气室及芯片集成原子磁强计关键器件以及多种芯片集成方案,融合集成光子学、集成光电子、集成微电磁系统、以及芯片集成纳米制造等多项前沿科技与量子传感技术,开辟未来芯片集成量子精密传感领域,探索将多种量子传感仪器进行芯片集成从而实现体积跨越式缩减与低成本量产的可行性。研究方向包括微纳集成器件及系统、微电磁系统等。芯片集成精密测量是传感器尤其是量子传感器的重要发展方向,也是相关产业的迫切需求所在,其发展将有力支撑未来量子传感产业应用,如高分辨率医学磁成像系统、微型定位授时导航系统以及微型可穿戴医疗监测系统等。
研制的碱金属气室
(5)激光器与光学器件技术研究所
本中心针对量子传感技术创新中心研制阵列式芯片化原子自旋磁强计和芯片化核磁共振陀螺仪等量子传感系统对激光光源和激光测试的需求,研制小型化高性能半导体激光器、核心光学器部件、激光性能测试仪器等。目前研制的小型化边发射激光器已基本定型,用于阵列式芯片化原子自旋磁强计;研制的光隔离器和垂直腔面发射激光器驱动器的性能已优于国外商用产品,可实现替代。后续将进一步研制集成化、小型化、高性能的激光器和光学器部件,并研制激光波长计、线宽测试仪等激光测试仪器,支撑量子传感技术的研制和应用。
研制的小型化边发射激光器和光隔离器
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