SWIR1503BU短波红外相机 | 磁光阱中亚稳态氦原子成像

应用背景

亚稳态的氦原子寿命极长，能量强，在精密测量、量子科学等领域有广泛应用。其中，通过亚稳态氦原子制成的光泵磁力仪广泛应用于地球物理勘探、海洋探测、军事反潜等领域。磁光阱可以俘获氦原子，通过相机对荧光的捕获可以实现对氦原子位置和状态的观察。

因此，要求相机具有高信噪比、高帧率、高量子效率等。阿秒科技SWIR1503BU相机高转化增益时信噪比为62.98 dB。在8 bit数据转换下帧率724 fps，在1083 nm波长其量子效率约为70%。

任务描述：

使用SWIR相机拍摄亚稳态氦原子在磁光阱中的被俘获图象。
在磁光阱中，原子在被束缚在中心的同时，也在持续吸收和发射光子，在这个过程中，原子会向各个方向散射出微弱的荧光。通过相机对荧光的捕获即可得到氦原子在磁光阱中的位置和状态。

测试设备和主要参数：

相机：阿秒科技SWIR1503BU短波红外相机

俘获激光：1083nm窄线宽红外激光

实验过程/数据：

运用光学锁相环方法将1083nm激光频率锁定，并将光路一分为六。

将六束光分别接入磁光阱真空腔的六个方向上，调节二分之一波片和四分之一波片至激光偏振为圆偏光。

打开磁场，调节相机位置，找到六束激光交叉区域。

相机观察亚稳态氦原子的俘获图象。选定合适的ROI区域，优化原子团强度。

运用相机的光耦合外触发功能拍摄原子在阱中的衰减过程。相机虽然可以设置曝光时间至百微秒，但拍出来照片间的时间间隔并没有这么快。目前曝光时间最短只能设置到5ms，实际拍出来一般在7ms左右。

 

实现结果及分析

相机可以清晰拍摄到1083nm荧光的光强。观察到明亮且稳定的椭圆型光团，背景清晰干净，证明了亚稳态氦原子被束缚在磁光阱的中心。随着高速连续多次曝光的拍摄，图像中荧光的强度在逐渐变弱直至消失，即观察到氦原子在磁光阱中的衰减过程。通过成像可以看出SWIR1503BU相机的性能稳定，具有高的信噪比，且读出速度高，能够很好地满足该场景的应用需求。