《Nature Communications》重磅：滨松SLM助力全球首台量子极限原子相机问世

　　近日，国际顶尖学术期刊《Nature Communications》正式刊发了一项在精密测量领域取得里程碑式突破的研究论文——Atom camera: super-resolution scanning microscope of a light pattern with a single ultracold atom (Nature Communications 2026, 17:4727)。该研究由日本分子科学研究所联合滨松光子中央研究所共同完成，展示了全球首台能够同时实现光强与偏振超分辨率原位成像的"原子相机"。

　　本研究不仅采用了滨松公司的核心器件X13138-01型纯相位空间光调制器(LCOS-SLM)，更有滨松光子中央研究所的H. Sakai、K. Nishimura和T. Ando三位科学家作为核心作者，深度参与了光学系统设计与全息图算法开发，为研究的成功提供了从硬件到软件的全方位支撑。

　　研究背景：攻克亚微米光场表征的世纪难题

　　亚微米尺度的光场是生物学、生物物理学和原子分子光物理(AMO)领域的核心工具，从光学镊子操控单细胞到中性原子量子计算机的量子比特控制，都离不开高精度的光场。然而，传统光场表征技术长期面临三大无法突破的瓶颈：

　　衍射极限的天花板：常规相机受光学衍射极限约束，对852 nm波长光的分辨率仅约221 nm，无法分辨亚波长(<400 nm)的精细结构。

　　非傍轴效应的盲区：高数值孔径物镜紧聚焦产生的纵向电场分量、偏振畸变等非傍轴效应，无法通过远场成像准确还原。

　　原位测量的缺失：光学晶格、近场光场等结构无法传播到远场，额外引入的成像光路会产生像差，破坏光场的原始特性。

　　此前虽有研究尝试使用单原子作为探针，但受限于热原子的数百纳米热涨落和低灵敏度，始终无法达到实用化要求。而在快速发展的中性原子量子计算领域，光镊阵列的强度不均匀性和偏振畸变已成为制约量子门保真度提升的主要因素，迫切需要一种能够在原子工作环境下进行精确测量的工具。

　　技术突破：首次实现量子极限的光场超分辨率成像

　　本研究彻底颠覆了传统的光场表征方法，创新性地使用单个冷却到运动基态的⁸⁷Rb原子作为纳米级扫描探针，实现了超越衍射极限的光场成像：

　　量子极限的空间分辨率

　　通过拉曼边带冷却技术，将原子冷却到光镊的三维运动基态，原子的位置涨落被完全压制到量子力学允许的最小值——仅25 nm，这是理论上能够达到的最高分辨率。实验中实际获得的分辨率上限为96±4 nm，远优于传统光学成像的221 nm衍射极限。

　　光强与偏振同时成像

　　利用原子基态超精细自旋的差分光移效应，首次实现了在同一平台上同时测量光场的强度分布和偏振椭圆率分布。研究团队成功观测到了紧聚焦线偏振光中此前从未被直接成像的非平凡偏振梯度，实验结果与矢量衍射理论高度吻合。

　　前所未有的测量灵敏度

　　得益于超精细自旋长达秒级的相干时间，该原子相机的灵敏度达到了34 kHz/√Hz，比此前基于电子轨道跃迁的方法提高了整整一个数量级，能够探测到低至0.01的微小偏振椭圆率。

　　研究团队使用这台原子相机成功成像了多种复杂光场，包括带彗差像差的光束、0.9 μm间距的短间距光镊阵列以及TEM₀₁模式光束，为设计和分析亚微米尺度的光场提供了前所未有的强大工具。

　　滨松SLM核心价值

　　在这台革命性的原子相机中，两台滨松X13138-01型LCOS-SLM构成了整个系统的核心，分别承担着"操控原子探针"和"生成目标光场"的关键任务。滨松SLM的卓越性能和滨松团队开发的专属算法，是实现量子极限成像的根本保障。

　　1.首创双SLM独立架构，彻底消除串扰

　　研究团队创新性地采用了双SLM完全解耦的设计：

　　SLM1(原子操控单元)：专门负责生成囚禁原子的光镊，并以纳米级精度控制原子的扫描位置。

　　SLM2(光场生成单元)：专门负责生成任意待成像的目标光场。

　　这种设计从根本上避免了目标光场的变化对原子囚禁稳定性的影响，这是此前所有单SLM系统都无法解决的难题。

　　2. 纳米级原子位置操控，实现无扰动扫描

　　滨松SLM的高精度相位控制能力，使得研究人员能够以25 nm的步长精确移动光镊的焦点。配合滨松团队优化的相位图线性插值技术，彻底解决了相位图硬切换导致的原子丢失问题，确保原子在整个扫描过程中始终被稳定囚禁。

　　3. 高保真度复杂光场生成，突破传统算法极限

　　滨松光子中央研究所的研究团队专门为本研究开发了基于优化的全息图生成算法(同期发表于Physical Review A 2026)，解决了传统GS算法在生成近衍射极限间距阵列时的串扰问题，成功生成了0.9 μm间距的无串扰光镊阵列，为分辨率标定提供了理想的标准样品。

　　核心器件：滨松X13138-01型SLM

　　此项研究对空间光调制器的性能提出了近乎苛刻的要求，滨松X13138-01型SLM在相位控制精度、光学效率、长时间稳定性等关键指标上，完美满足了量子极限测量的需求：

　　SLM性能再升级，平均功率突破700W

　　该研究中验证的滨松X13138-01经典型号已顺利完成其阶段性技术验证使命，其同源的纯相位调制核心技术已全面迭代至当前在售的X15213及X15223系列。

　　其中，该系列中的蓝宝石SLM型号更实现了关键突破——将LCOS的平均功率阈值提升至700 W以上，实测功率密度超过3127 W/cm²，性能更适配当下更大规模量子计算、更高通量冷原子实验的需求。点击【干货】700W蓝宝石SLM 参数详解，查看新一代SLM的详细参数与应用方案。

　　滨松LCOS-SLM系列产品

　　滨松产品曾作为关键器件，助力了3个诺贝尔物理学奖的诞生。70余年来，更不断地参与并见证了诸多科研和技术的突破。我们期待，此次这项革命性的纳米制造技术能够在微电子、生物医疗、量子信息等领域开辟新的应用前景。

　　为了帮助用户在其研究中更好地使用LCOS-SLM，滨松中国推出了产品技术资料平台，并组建了经验丰富的本地技术支持团队，可深入场景，提供产品应用落地保障。

审核编辑 黄宇