小型铯原子钟微波腔调谐过程的仿真研究

通过建立模型,利用Ansoft HFSS 12.0对小型铯原子钟内微波腔的调谐过程进行了仿真,得到了调谐棒半径、在调配器内长度与微波腔谐振频率之间的关系曲线。结果表明,调谐棒半径一定时,调谐棒长度在一定范围内,微波腔谐振频率随着长度的增加逐渐下降;随着半径的增大,微波腔谐振频率的变化范围逐渐增大,在铯原子跃迁中心频率处,调谐棒长度对微波腔谐振频率的影响变大。根据仿真结果,给出了调谐棒半径的取值范围,为微波腔的设计、加工和调谐提供了理论指导。     

铷原子频标TE111微波腔的仿真分析及实验

使用AnsoftHFSS软件建立铷原子频标微波腔内加载集成泡的模型,仿真并分析了集成泡尺寸和安装位置对腔体谐振频率的影响,最后进行了实验验证。结果表明,仿真得出的结论和实验结果有一定的一致性,加载不同尺寸集成泡对微波腔谐振频率影响明显并且呈一定规律分布,这对于中微波腔的设计具有重要的参考价值。     

对超小型磁控管微波腔频移的分析

用AnsoftHFSS仿真软件建立了超小型氢频标磁控管微波腔的模型结构,对仿真设计微波腔的各种频移进行了分析。     

光抽运小铯束频率标准中光频移的测量

对光抽运小铯束管的光频移进行了测量 ,并对结果进行了简要的分析 ,估算了射入Ramsey腔的相应光强。导致光频移的光源是抽运光和检测光通过漫反射进入微波腔的部分和原子束中的铯原子自发辐射所产生的荧光。     

NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

回顾了NIM4 #钟实现 5 μK冷原子云 ,74cm原子喷泉和 0 95Hz线宽Ramsey跃迁实验 ,报道了 9 19GHz微波锁定到铯原子秒定义跃迁 ,频率稳定性达到 (5 - 7)× 10 -15(15 0 0 0s)。目前我们正在进行不确定度评估 ,可望不确定度进入 10 -15量级 ,建立我国新一代时间频率基准装置。     

极小型氢频标磁控管微波腔的仿真设计

用Ansoft HFSS仿真软件建立了极小型氢频标磁控管微波腔的几种模型结构,在给定腔体尺寸下,仿真了不同电极间距的空型和磁控管型微波腔谐振频率和品质因数,得出极小型氢频标磁控管微波腔的设计参数,并对实际设计中影响磁控管微波腔谐振频率的因素给出了建议。     

磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计

为提高铯束管跃迁信号强度,在束光学参数设计中,用蒙特卡罗方法模拟计算铯原子通过率和未跃迁比例。通过改变模拟计算中的束光学参数,分析铯原子通过率、未跃迁比例和倍增器首极电流的变化趋势,得到了主要束光学参数的合理取值范围。在铯束管实际装配和试验中使用束光学参数设计结果,有效地增加了倍增器首极电流。     

氢频标蓝宝石微波腔温度补偿的实验研究

针对当前蓝宝石氢原子频标微波腔的频率温度系数比较高,提出采用一种新的负温度系数晶体—钛酸锶。通过软件仿真计算,对蓝宝石微波腔进行介质温度补偿设计及优化,并比较了钛酸锶与金红石的温度补偿能力。根据仿真设计进行实验,得到的实验结果证明了介质补偿的有效性。当钛酸锶晶体尺寸为Φ17×8 mm时,温度系数为由无补偿时的-66 kHz/℃降为-10.35 kHz/℃。     

开槽管微波腔中微波场场型优化

我们先前的一项研究工作表明,目前本实验室使用的开槽管微波腔的模式类似为TE111腔模式。对铷原子频标而言,这并不是最佳模式。最近我们对开槽管微波腔结构做了改进,并利用高频结构仿真软件（HFSS）仿真及实验证明,改进后的模式类似为TE011腔模式。这为我们设计出性能更高的铷原子频标物理系统奠定了基础。     

激发跃迁速率对热力学非平衡氮气紫外辐射的影响

基于氮气的碰撞-辐射（CR）模型,计算了速度为6.2 km/s、初始压力为133 Pa的高超声速流动激波中N₂和N₂+分子电子能级的分布情况,分析了不同激发跃迁速率模型对电子能级分布及辐射光谱模拟的影响。针对流动中热力学非平衡区域和平衡区域,在300~440 nm的辐射光谱开展了逐线法的数值模拟,并与激波管实验测量光谱进行了对比。结果表明,目前的激发跃迁速率均存在偏差,综合Park模型的爱因斯坦系数和Johnston模型的碰撞激发速率可以得到与实验结果最为接近的辐射光谱。      

行星大气1~3000GHz微波-亚毫米波辐射模拟

为模拟行星大气在微波elax-elax亚毫米波波段的辐射传输特性,利用逐线积分方法计算行星大气中各气体成分在1~3000GHz的吸收系数.基于HITRAN数据库中各气体分子的跃迁频率及线强等参数,有效模拟了各气体分子在此频段内的吸收特征,并与常用的微波elax-elax亚毫米波大气辐射传输模式进行对比.分析地球大气的组成及特性,利用辐射传输方程模拟临边探测方式下不同频段的大气辐射亮温.研究结果可为后续地球乃至行星大气成分探测模拟、频带选择以及大气成分廓线反演提供模型及理论依据.      

低功率超导谐振腔的设计和仿真

针对目前超导稳频振荡器（scso）具有高短期稳定度这一特点,详细介绍了超导谐振腔的设计,并对同轴线激励该超导微波腔内TE011模的输入输出耦合方式进行了仿真分析。仿真实验数据表明了设计的有效性。     

用于里德堡原子高精度微波电场测量的小型化激光系统设计与实现

基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小,有望成为新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波电场基准.本文介绍了一种可用于铯原子里德堡态激发的小型化绿光激光系统.该激光系统采用Littorw型光栅外腔反馈结构,实现了输出功率大于80mW的单频509nm绿光激光.利用该激光系统结合常规...     

汽室型铷原子频标中微波腔的小型化

讨论了实现汽室型铷原子频标微波腔小型化的技术途径,给出了自主研制的小型化微波腔的三维仿真结果和外型结构,介绍了以新研制的小型微波腔为基础构成的小型化腔泡系统。小型化微波腔的研制成功,使整个物理系统的体积减小。在小型化的条件下,整机短期频率稳定度达到了国际同类产品水平。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声,是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射,该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用,相比于被动光钟,主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽,并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状,主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标,提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响,其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出,分别工作在好、坏腔区域,好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长,由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势,因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动,为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响,并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性,本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长,从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响,进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1470nm主动光频标的影响。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

小型氢原子频标微波腔本征值问题的计算机仿真分析

使用Ansoft HFSS软件分别仿真计算了氢原子频标中标准尺寸微波腔、蓝宝石部分介质充填微波腔和不同金属极片间距的磁控管微波腔,并分析了储存泡对谐振频率的影响,得到极片间距和储存泡对谐振频率的影响趋势,对于实际工作时主要影响谐振频率的极片间距的选择给出了建议。     

潜艇应急燃气吹除过程的数值仿真及实验验证

进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验,模拟了水下100 m深度时燃气吹除的排水性能与规律以及燃气吹除过程中的主要性能参数变化情况.建立了模拟小比例实验吹除过程的物理模型,应用结构化六面体网格对其两相流体流动区域进行了计算区域的离散化,并对100m海水深度下的燃气吹除过程进行了数值仿真计算,得到了对燃气泡成长规律的描述,深化了对排水过程机理的认识.仿真结果与实际情况的实验结果十分吻合,混合气体压力和排水总体积的相对误差均不超过5%,验证了数值仿真方法的可行性.     

星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展,复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术,结合二次电子发射模拟,提出了微放电电磁粒子联合仿真方法,数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响,解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算,基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判,通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置,并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明,所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述,预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好,误差小于1.2dB,验证了该方法的有效性与准确性,对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。