本研究由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院、超弱磁场测量技术教育部重点实验室的 Zhen Chai、Jianli Li 团队，联合西湖大学工学院 Mingke Jin 团队共同完成，第一作者为 Yan Xu。论文以开放获取形式发表于 Microsystems & Nanoengineering 期刊2025年第11卷，文章编号225，DOI 为 10.1038/s41378-025-00989-1。

该研究属于原子磁强计与核磁共振陀螺仪领域中的光泵浦均匀化技术方向。在核磁共振（NMR）协同磁强计（co-magnetometer）中，碱金属原子电子自旋与惰性气体核子通过自旋交换实现耦合，是惯性测量与量子传感的核心物理过程。泵浦光用于极化碱金属电子，然而传统高斯光束在横向截面上的光强呈非均匀分布，导致原子气室不同区域电子极化程度不一致，引发原子自旋退相干、磁化空间不均匀以及等效磁场梯度增大等问题，进而限制传感器的灵敏度和精度。为解决该问题，已有方法如微透镜阵列、衍射光学元件、空间光调制器等虽能实现光束匀化，但普遍依赖固定传播距离、体积较大或存在额外功耗，不利于芯片级集成。因此，该研究的核心目标是开发一种小型化、易集成且光束匀化特性不随传播距离变化的超表面（metasurface）匀化器，以缓解泵浦光不均匀引起的退相干问题。

研究的具体流程分为超表面匀化器的原理设计、器件加工、光学性能表征、原子极化与弛豫测量以及系统灵敏度测试五个主要部分。

在原理设计阶段，作者利用马吕斯定律（Malus’ law）和几何相位（geometric phase）理论实现强度到偏振态的编码。对于入射高斯光束强度分布 I₁(x,y) 与目标均匀光束强度分布 I₂(x,y)，通过能量守恒计算两者比值 k₁(x,y)，再根据马吕斯定律得到每个空间位置所需的偏振旋转角 θ(x,y)=arccos√(I₂/I₁)。为实现该偏振编码，研究采用矩形硅纳米柱作为基本单元。当圆偏振光入射到旋转角为 φ 的矩形介质超表面单元时，出射光中交叉偏振分量会携带 ±2φ 的几何相位。进一步地，将线偏振光视为左右旋圆偏振光的叠加，经过旋转角为 φ 的超表面单元后，出射光仍为线偏振光，其偏振方向旋转 2φ。由此可见，令 φ(x,y)=½θ(x,y)，即可将入射光在每个空间位置处的强度信息编码为偏振态分布。通过后续放置的检偏器（analyzer），不同偏振方向的光被选择性透过，从而实现光束横向强度均匀化，且该匀化特性不依赖传播距离。超表面设计工作波长为铷原子 D1 线 795 nm，硅纳米柱优化几何参数为长度 190 nm、宽度 120 nm、高度 620 nm，周期 370 nm。仿真结果显示该结构在 795 nm 处具有较高的交叉偏振转换效率。

在器件加工阶段，利用等离子体增强化学气相沉积在 500 μm 厚熔融石英衬底上沉积 620 nm 非晶硅薄膜，随后通过电子束光刻（EBL）、铬硬掩模蒸镀、剥离以及电感耦合等离子体刻蚀等工艺制备直径 4 mm 的超表面光学芯片。扫描电子显微镜表征了超表面中心区域的形貌。

在光学性能表征阶段，利用光束分析仪测量了输入高斯光束与输出匀化光束的强度分布。入射高斯光束直径为 3.4 mm，设计匀化光斑直径为 2.3 mm。光束通量对比度从高斯光束的 0.51917 降低到匀化光束的 0.28837，表明匀化效果显著。实验测得的功率利用效率为 32.97%，与仿真预测值 36.67% 吻合良好。此外，在 12 mm 自由空间传播范围内，匀化光束保持良好的准直性和稳定的匀化效果，验证了该方案不依赖传播距离的独特优势。

在原子极化与弛豫测量阶段，将匀化光束与高斯光束分别作为泵浦光，在泵浦功率 0.5 至 4.5 mW 范围内对铷原子电子进行极化。实验结果显示，在相同泵浦功率下，匀化光泵浦使电子共振幅度提高约 8%–22%。通过核频率位移法测得电子极化率，通过自由感应衰减（FID）方法测得 ¹²⁹Xe 和 ¹³¹Xe 核极化率以及 ¹²⁹Xe 横向弛豫速率。结果表明，匀化光泵浦能够有效提高电子和核极化率以及原位磁强计标度因数，提升幅度在 5%–40% 之间，且在较低泵浦功率下提升更为明显。同时，在 1 至 4 mW 的优化功率区间内，匀化光显著降低了 ¹²⁹Xe 的横向弛豫速率。作者进一步通过三轴梯度线圈测量了气室内三个方向的磁场梯度，发现 z 轴方向因泵浦光吸收效应存在明显磁场梯度，但匀化光在 x-y 平面内有效降低了磁场梯度，且 y 轴方向因气室手柄结构导致梯度略大于 x 轴。整体上，匀化光通过改善原子极化空间均匀性抑制了等效磁场梯度，从而降低了惰性气体核的横向弛豫率。

在系统灵敏度测试阶段，作者利用锁相环提取原位磁强计输出信号，并施加频率 80 Hz、幅度 2.3 nT 的校准磁场进行灵敏度标定。通过对输出信号的功率谱密度进行计算和噪声归一化，得到了不同泵浦功率下的磁测量灵敏度。实验结果表明，在 2–4 mW 功率范围内系统灵敏度保持较好水平，在 3.5 mW 泵浦功率下匀化光泵浦实现了约 600 fT/Hz¹´² 的最低灵敏度，相比高斯光泵浦条件提高了 23%。当泵浦光功率过低时，原子极化不充分，而功率过高时原子极化趋于饱和，这两种情况都会削弱匀化光束带来的优势。

研究的结论指出，所提出的基于偏振编码超表面的光学场匀化方案，结构紧凑且便于片上集成，其横向强度分布不依赖传播距离，解决了传统光束整形方法体积大、集成难、匀化效果随传播距离变化等问题。与高斯光泵浦相比，该匀化器在相同输入功率下将实测光学磁灵敏度提升了 23%。该研究为核磁共振协同磁强计及其他原子传感器中的泵浦光均匀化提供了一种新的技术路径，展示了超表面技术在集成量子传感系统中的应用潜力。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面。第一，利用偏振编码与检偏器组合的方式实现了光束匀化，且匀化特性不随传播距离改变，区别于传统基于折射或衍射原理的匀化方法。第二，该方案保持了光束准直传播，避免了焦平面变换型超表面方法中光斑尺寸改变和传播角度变化的问题。第三，超表面器件具有平面化结构，无需额外功耗，便于集成到芯片级原子传感器中，契合未来片上核磁共振陀螺仪的发展方向。第四，研究通过系统的实验证明了匀化光在提高原子极化率、降低核横向弛豫率以及提升磁测量灵敏度方面的综合优势，为后续单层超表面简化设计与进一步集成提供了实验基础。

此外，论文在方法部分详细描述了器件加工参数、NMR 协同磁强计实验装置以及原子极化与弛豫率的测量原理，这些内容为相关领域研究人员提供了可重复的实验依据。该工作不仅在原子传感技术领域具有应用价值，也为超表面在量子精密测量中的功能化设计提供了新的思路。