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图1 基于局域干涉超构表面的芯片化原子磁力计集成检测方案
1. 导读
新兴的小型化光学原子磁力仪（OPM）由于其在高分辨率生物磁场成像（例如人体心磁、脑磁测量）、地磁探测等领域的应用潜力，近些年来得到了世界各地研究人员的广泛关注。在OPM中，为了以高灵敏度实现极化碱金属原子的自旋信息探测，通常需要利用一系列传统光学组件（例如棱镜、线偏振片等）进行线偏振检测光的生成，后续利用旋光检测的方法来跟踪原子极化态在外界磁场影响下的变化，从而提取极弱磁场信息。然而，传统的光学组件存在器件体积大、难以集成等问题，并且，多个分立光学器件之间还需要精密的对准，这都阻碍了芯片集成OPM的发展，也限制了其进一步的规模化应用。针对这些问题，近日北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院叶茂研究员团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种基于局域干涉超构表面的芯片化OPM集成检测方案（见图1），研究人员针对于量子传感的具体应用需求，通过精心设计由多原子单元结构组成的光学超构表面，在亚波长尺度下产生了局域光干涉效应，从而使得该超构表面在量子传感波段能够实现既定的线偏振光转换，进而提出了一种集成式的OPM光学检测方案，此外，通过引入多原子传播相位，该超构器件还同时具备波前整形的多功能特性。为了进行该集成方案的验证，研究人员将所设计的单片超构器件和现有的OPM样机进行集成测试，并对超构器件的非理想特性在OPM中引入的额外光频移（Light
Shift）进行了详尽的分析，实验结果验证了该集成检测方案的可行性和有效性。该研究成果不仅为利用超构光学器件实现高灵敏度、高集成度的OPM检测系统提供了清晰的理论和设计指导，并为未来集成光子学在芯片集成原子磁力计、芯片集成陀螺仪以及其他芯片化原子传感器中的多样化应用提供了新的思路，并具有广阔的应用前景。2. 研究背景
原子传感器借助于原子对外部场或扰动的敏感性实现高灵敏度测量，在高精度导航、生物极弱磁场测量、磁共振成像、暗物质探测等领域有着广泛的应用。光学系统是原子传感器的重要组成部分，因为在存在外部场的情况下，必须精确控制或检测相干自由空间光来探测由外部待测场引起的原子极化态的变化。例如在OPM中，需要具有特定线偏振态和准直波前的检测光来进行极化碱金属原子的光学探测，在传统OPM系统中，检测光可以利用凸透镜和线偏振片组合来实现，一般来说，透镜由弯曲的各向同性玻璃组成，其相位延迟沿光路逐渐累积，而线性偏振器则基于晶体或聚合物的双折射，在两个正交偏振之间产生相位延迟，因而使得传统的光学组件体量厚重，体系复杂，难以进一步集成，此外，不同分立器件之间的光学对准依赖于手动组装，这都不能满足原子传感器在芯片集成、规模化生产和低能耗等方面日益增长的需求。因此，迫切需要一个高效、多功能的集成光学平台来执行集成式的光学探测，并促进原子传感器从实验室中的概念验证发展为便携式传感设备。解决这个问题的一种潜在策略是利用光学超构表面，它是利用亚波长级的结构来控制光的传播并进行操控。通过精心设计每个亚波长结构的尺寸可以实现对光的高度精确的相位、振幅和偏振态的调制。目前也逐渐从单个器件设计扩展到和原子系统的集成中，并且向着系统集成的趋势发展，近些年来，世界各地的研究人员逐渐地开始将超构器件应用于原子捕获和操控中，包括利用分束超构表面或者全息超构技术构建集成式的片上磁光井（MOT）、利用偏振复用超透镜进行芯片化OPM中气室后侧的差分检测等。但是针对于OPM中气室前侧的光学检测系统的集成化设计并没有得到太多关注，这对超构表面在量子传感波段的具体应用（偏振转换、波前整形）提出了全新的要求。如何利用超构光学的易集成性促进高性能芯片化OPM的发展，以及超构光学器件的非理想性会对OPM的性能造成怎样的影响，这些都是值得分析与研究的重要问题。3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种基于局域干涉超构表面的芯片化原子磁力计集成检测新方案。通过扫描建立单个超原子的相位和幅度调制的数据库，然后精心设计组成超构表面的双原子单元结构中两个非对称超原子的尺寸和方位角，研究者在亚波长尺度下实现了局域光干涉，借助于该干涉现象，使得所设计的超构表面具有强烈的线二色性（Linear
Dichroism），能够进行任意偏振光到线偏振光的偏振转换，从而能够代替传统器件中的线偏振片（见图2）。另外，研究人员结合超构表面中多原子的传播相位，在实现线偏振光转换的同时使得超构表面同时具备波前整形的功能（见图3），也就是说可以利用单片超构器件来取代传统OPM中常用的凸透镜和线偏振片的组合，这种多功能特性是传统的分立器件不具备的。接下来，研究人员对所设计的两种超构器件进行了加工和测试，在完整的理论指导下，验证了两种用于芯片集成OPM检测系统的超构表面的功能，实验结果均与理论预期吻合良好（见图4、图5），充分证明了该设计方法的有效性。![]()
图2 超分子中局域干涉现象的验证以及可定制线性偏振态转换的超构器件的性能测试
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图3 用于特定线性偏振光波前操纵的超偏振透镜（Meta-polarizer-lens）的性能测试
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图4 超构起偏器（Meta-polarizer）的实验表征与性能测试
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图5 超偏振透镜（Meta-polarizer-lens）的实验表征及性能测试
随后，研究人员将所设计并制造的超构器件和零场共振OPM原理样机进行集成测试，利用超构器件转换生成的近似线性偏振光作为检测光进行后续OPM中的光学探测，并详尽分析了由于超构器件的性能非理想性产生的光频移（Light Shift）对集成化OPM性能带来的影响，并且通过原位精密磁补偿的方法成功抑制了该光频移导致的OPM灵敏度的恶化，尤其是在低频段区域。实验结果表明，该基于局域干涉超构表面的光学检测方法能够实现9 fT/Hz1/2的灵敏度（见图6），这证明了该集成式光学检测方案的有效性。![]()
图6 基于局域干涉超构表面的芯片化原子磁力计集成检测方案实验验证
4. 应用与展望
研究团队提出的基于局域干涉超构表面的芯片化原子磁力计新型集成检测方案，从原子磁力计现有构型的进一步小型化以至完全芯片集成的角度出发，依据量子传感器具体的工作原理，借助于超构光学这一有力工具，提出了系统性的集成式光学检测方案。该研究扩展了超构光学的应用范围，能够大幅减小原子磁力计的体积，并降低成本，为原子磁力计以至其他新兴量子传感器的片上集成提供关键技术支撑，推动了芯片化原子器件的发展。将来该方案还可以进一步与微纳原子气室、垂直腔面发射激光器（VCSEL）进行集成，展现了未来可实现的全集成高性能原子传感器的巨大潜力。该研究成果以“Integrated optical probing scheme
enabled by localized-interference metasurface for chip-scale atomic
magnetometer”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的Jinsheng Hu， Zihua Liang，Peng Zhou，Lu Liu，Gen Hu，Mao Ye，其中Mao Ye（叶茂）研究员为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金优秀青年科学基金（海外）等项目的资助。
