2025-12-10
文章来源：富泰科技
在量子科技的广袤领域中，无论是捕获极低温下的冷原子，还是探测钻石内部的氮-空位（NV）中心，光学系统始终是连接宏观与微观世界的关键媒介。而在整个光学系统中，物镜（Objective Lens） 作为核心部件，犹如探针的尖端，决定了我们能够观察的分辨率以及所能接收到的信号强度。
本文中，我们将结合三丰（Mitutoyo） 的精密光学技术与量子科技的前沿研究，深入探讨物镜在量子领域的硬核应用。
一、核心参数：量子世界的“入场券”
在量子实验中，物镜不仅仅是用来放大图像的工具，更是光子收集器和能量聚焦器。选对物镜，首先要读懂三个核心参数：
(1)数值孔径（NA）：光子收集的“网兜”
图1 干式物镜的数值孔径（NA）
在量子成像和单光子探测中，信号往往极其微弱。
，NA值越大，孔径角越大，物镜收集荧光信号的效率越高（收集效率与NA2成正比）。同时，根据瑞利判据（
），高NA值意味着更高的空间分辨力，这对区分相邻的量子点或原子至关重要。
(2)工作距离（WD）：操作空间的“生命线”
图2 物镜的工作距离
量子实验环境极其复杂，往往伴随着低温恒温器、真空腔体、磁场线圈等设备，样品通常被封装在低温腔体内，需要透过厚厚的玻璃窗口进行观察。普通高倍物镜的工作距离往往不足 1mm（甚至仅 0.1mm），根本无法穿过窗口聚焦到内部样品，甚至可能发生碰撞事故，损坏昂贵的镜头或窗口。因此，需要在保证一定放大倍率和NA的前提下，尽可能拉长WD，以便物理设备介入。
(3)色差校正：多波段的“对齐”
图 3 一般物镜的两种消色差方案
量子实验常涉及多波长操作（如泵浦光与信号光波长不同）。可能使用 532nm（绿光） 或更短波长的激光去激发一个量子点，但它发射出的单光子信号却是在 600nm~800nm（红光/近红外）波段。如果物镜没有优秀的色差校正，短波长的焦点会比长波长的焦点更“靠前”。
当聚焦激发光时，信号光的收集会因为离焦而大幅下降；当聚焦收集信号时，激发光的光斑会变大，能量密度降低，导致激发效率不足。这些都会直接影响到实验的信噪比，严重的会导致实验失败。复消色差校正此时展现出比消色差校正更优秀的光学素质。
二、三丰物镜：为何是量子实验室的“常客”？
图4 三丰物镜系列（可配合转塔）
(1)长工作距离
三丰物镜凭借长工作距离设计，在保证高倍率和高NA的前提下，提高了物镜前端和样品之间的距离，相比较于其他物镜，无需担心镜头会碰到样品。三丰物镜最显著的标签就是M Plan Apo系列。在同等倍率下，三丰物镜通常能提供比竞品更长的工作距离。
• 三丰 M Plan Apo 100x ：在 100 倍放大下，工作距离达到了 6.0 mm。
• 三丰 M Plan Apo SL 100x（超长型） ：工作距离达到了 13.0 mm。
(2)复消色差校正
普通消色差透镜（Achromat）只能校正红、蓝两种颜色的色差。而三丰的 Plan Apo 物镜通过特殊的光学玻璃组合，实现了对红、黄、蓝三种波长的色差与球差的完美校正。这意味着在宽光谱范围内，不同颜色的光都能汇聚在同一个焦点上。
量子跃迁频率跨度极大，三丰为此提供了针对性的波段优化方案，确保在特定实验波段实现“零色差”：
• 可见光实验（NV色心等）： 标准 M Plan Apo 系列，在 436nm ~ 656nm 范围内实现色差校正 。
• 量子通信与红外实验： M Plan Apo NIR 系列，将校正范围拉宽至 480nm ~ 1800nm ，完美覆盖常用的 1064nm 和 1550nm 通信波段。
• 离子阱与紫外激发： M Plan Apo NUV 系列，校正范围覆盖 355nm ~ 620nm ，确保紫外泵浦光与可见光信号精准共焦。
(3)玻璃厚度校正
普通的高倍物镜是按照无介质（空气）或标准盖玻片（0.17mm）设计的。当光线穿过 3.5mm 甚至更厚的真空窗口时，光路会发生严重的折射改变，产生巨大的球差。这会造成本该汇聚成一点的光变成了巨大的光斑，原本清晰的原子阵列变得模糊不清，原本应该很强的单光子信号被干扰，导致信噪比急剧下降，甚至完全无法成像。
三丰的 G Plan Apo 和 LCD Plan Apo 系列物镜，是专门为这种“隔窗观物”的场景设计的。它们在光学设计阶段就预先计算了特定厚度和材质玻璃产生的光程差，并进行了反向补偿：
• G Plan Apo 系列： 专为厚玻璃设计，标准品即可支持透过 3.5mm 厚的玻璃（如 BK7 材质）进行无像差观察 。
• LCD Plan Apo 系列： 针对较薄的窗口，支持 0.7mm 或 1.1mm 的玻璃厚度校正，覆盖了从紫外（NUV/UV）到近红外（NIR）的波段 。
另外，三丰能够根据客户的具体需求（玻璃材质、折射率、厚度）进行特殊订购设计。从 0.5mm 到 20mm 以上 的超厚窗口均有供货实绩，材质涵盖普通光学玻璃、合成石英、蓝宝石玻璃甚至金刚石等。
三、物镜在量子科技中的应用
接下来，我们通过几个量子科技中的物镜应用，让您认识到这个小物件在其中的重要作用。
（1）量子计算-光镊阵列
加州理工学院研究了一个大规模的光学镊子阵列，能够同时捕获超过6100个中性铯原子，分布在约12000个位置上。通过空间光调制器（SLM），物镜将光的相位图案聚焦到真空腔内，产生光学镊子阵列，用于捕获和控制原子。并且物镜还用于捕获原子在光学镊子阵列中的成像，检测每个陷阱中是否存在原子。
图5 光学镊子阵列生成示意图[1]
该物镜的NA=0.65，高NA值确保了系统能够实现高保真的单原子成像，且能在大的实验阵列中保持一致性，生成的光学镊子具有足够的小光斑，以便高效地捕获和操控原子。物镜设计还考虑了长工作距离，以便在实验中可以更灵活地操作原子，同时避免因物镜与原子之间的干扰而影响实验结果。
（2）冷原子成像-光学晶格实验
波恩大学采用了Weierstrass球体固体浸没透镜的原理，提升了物镜的NA至0.92，使其具有460 nm的分辨力，这能够在光学晶格中清晰地看到单个原子的位置和状态。
图6 (a)物镜的剖视图；(b)利用高数值孔径物镜获取的荧光图像，显示出两个被囚禁在二维光学晶格相邻格点中的铯原子[2]
另外，物镜在冷原子实验中可以用于通过聚焦激光束来精准地控制原子的量子态。这种高NA的物镜能够为原子提供高效的光子收集，提高量子门操作的保真度，进而提高量子计算和量子模拟的精度。
（3）NV色心-矢量磁强测量
德国的乌尔姆大学量子光学研究所展示了一种新的集成平台，将激光写入波导与浅层NV中心结合，形成二维传感阵列，可以用于精确的磁场测量。物镜将激光聚焦到金刚石中的波导上，并使其沿着波导传播，最终到达NV中心所在的位置进行激发。这是波导系统中的一个关键环节，确保激光可以有效地被引导到NV中心。
图7 带有浅层注入NV中心的波导辅助传感器阵列示意图[3]
该物镜的低数值孔径（NA = 0.25，10×倍率）主要用于激光光束的输入部分。通过这一物镜，532 nm的激光可以从金刚石样品的对面表面耦合进入波导。虽然低NA物镜的光聚焦能力较弱，但其设计适合在低功率下进行激发光的传输。对于需要较大视场的波导耦合光入射，这种设计是合适的。
四、结语
从宏观的实验室搭建到微观的量子态操控，一枚优秀的物镜是通往量子世界的钥匙。
无论是追求极限分辨率的高NA冷原子捕获，还是追求模式匹配与视场的低NA的NV色心探测，亦或是需要穿透厚重真空窗口的低温实验，三丰（Mitutoyo） 凭借其超长工作距离、全波段修正以及玻璃厚度补偿技术，正在为量子科技的每一次突破提供清晰的“视界”。
参考资料
[1]Manetsch, Hannah J., et al. "A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits." Nature (2025): 1-3.
[2]Robens, Carsten, et al. "High numerical aperture (NA= 0.92) objective lens for imaging and addressing of cold atoms." Optics letters 42.6 (2017): 1043-1046.
[3]Shahbazi, Sajedeh, et al. "Vector magnetometry using shallow implanted NV centers in diamond with waveguide-assisted dipole excitation and readout." APL Photonics 10.2 (2025).
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