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。     

在辐射高温测量法中高准确度的温度值和不确定度的计算

光学高温计测量的温度 T 是一个含有τ(λ)和 V(λ)参数的积分方程的解,其中参数τ(λ)为光学元件的光谱透过率,参数 V(λ)为检测元件的相对光谱灵敏度。τ(λ)和 V(λ)在不同波长下测量的值为τ(λ_i)±△τ(λ_i) i=1、2、3、…NV(λ_k)±△V(λ_k) k=1、2、3、…M 式中△τ(λ_i)和△V(λ_k)分别为τ(λ_i)和V(λ_k)的测量不确定度。为了计算高温计每个测量值所对应的温度值,本文提出一种积分方程的数值解法,从而可以避免引入某些不必要的近似。假定不同波长下实验误差在统计学上互不相关,则可推导出一个由光谱测量中随机不确定度造成的温度不确定度的计算方程。作为估算测量数据的质量和数值解法不确定度的一种辅助方法,还建立了τ(λ)和 V(λ)的通用而现实的数学解析式,直到求出积分方程的精确代数解。     

高灵敏度环形激光流量计

一环形激光流量计简介我们研制的激光流量计是由一只双阳极He—Ne激光管作为激光源,毛细管长600mm,内径φ1.8mm,管道内径为φ30mm,处于环形腔内,由花岗岩作为腔基座,所有元件固定成一体,组装调试后不需要再调整,我们设计了一种与国外不同的稳定谐振腔,它能适应折射率的变化而不需要调整谐振腔,仍有激光输出。同时为了减少损耗,而采用了与国外不同的方     

带状注分布作用速调管多间隙谐振腔高频特性

带状注分布作用速调管(SBEIK)的典型特征是平面多间隙谐振腔及其分布式注波互作用系统.对应用于W波段微型化SBEIK的一种强耦合式五间隙分布作用谐振腔进行了研究,并结合传统的弱耦合式谐振腔与输出腔对其高频特性进行了深入分析,结果表明强耦合式腔体具备谐振模式隔离、各间隙高频场(RF)的耦合及其能量输出的良好技术优势.此外,对五间隙谐振腔周期结构引入的轴向简并模式竞争问题进行了研究,得到其工作模式与竞争模式之间的频率间隔在600MHz以上,完全可以满足SBEIK整体方案设计中100MHz带宽的要求.最后,利用三维粒子模拟(PIC)软件对优化后的强耦合式五间隙输出腔注波互作用性能进行了初步的模拟仿真,验证了其在相应工作模式上具备了高功率产生与输出的技术特征.本研究工作对毫米波和太赫兹频段高功率SBEIK的物理设计与工程研究具有重要的价值.      

地形产生的山地波及其传播过程模拟研究

气流经过地形产生的山地波是大气重力波研究的重要类别之一.从大气运动的控制方程组出发,建立模拟地形产生的山地波及其传播过程的二维数值模式.利用水平背景风场、地形和垂直速度之间的关系,在模式中引入垂直速度扰动作为地形产生山地波的激发源.通过模拟该激发源引起的扰动即山地波在大气中的传播过程,再现了山地波的产生、传播及充分发展过程.通过分析水平波长、垂直波长、位温扰动、流线,在空间尺度上描述了山地波的产生、传播及充分发展的过程.在气流经过地形产生的山地波的传播过程中,其水平波长λ_x的范围为2.5~5km,垂直波长λ_z约为2.5km.这些结果与利用山地波线性理论计算的垂直波长一致,从而验证了本模式能够模拟地形产生的山地波及其传播过程,为深入了解山地波的产生过程及其在中高层大气中的传播机制和效应奠定了基础.      

双波长全息干涉术的实验研究

双波长全息干涉术利用激光器发出的两个或两个以上不同的波长对物体拍摄全息干涉图,相当于用一个等效波长λeq对物体进行干涉测量,从而扩大了测量范围。在改进的泰曼干涉系统中，采用双曝光法双波长全息干涉术对一个抛物面反射镜的面形进行了补偿法检验，最终得到的干涉图样易于分析和判读。实验表明，对于光学元件的面形检验，尤其是非球面元件的面形检验，双波长全息干涉术是一种可行的测量新方法。     

MOEMS陀螺的谐振腔设计

微光机电(MOEMS)陀螺代表着微型光学陀螺的重要发展方向,而MOEMS谐振腔的设计是谐振式MOEMS陀螺的核心技术.提出了一种新颖的基于微纳米加工技术的MOEMS空间谐振腔结构,介绍了其工作原理和系统构成.建立了谐振腔的数学模型,并利用MATLAB软件对其重要参数进行了仿真计算及分析.为提高谐振腔清晰度及系统测量精度,优化了谐振腔输入输出镜的技术指标,并在此基础上完成了谐振腔的微加工工艺设计.结果表明:所设计的谐振腔清晰度可以达到346,陀螺极限灵敏度为0.25(°)/h,同时可以有效克服克尔效应、背向散射、偏振等光路噪声的影响.      

建立腔体热释电探测器相对光谱响应度标尺的研究

由于腔体热释电探测器在宽光谱范围内具有相对平坦的光谱响应度,因此经常被用作标定探测器相对光谱响应度的工作基准。但是在标定过程中通常认为腔体热释电探测器是无光谱选择性的,即R(λ)为常数。这样就会使测量结果不够准确,因此建立腔体热释电探测器相对光谱响应度的标尺是非常重要的。本文主要介绍了建立腔体热释电探测器相对光谱响应度标尺的原理和方法,并通过实验利用该方法建立了腔体热释电探测器相对光谱响应度的标尺,从而使该腔体热释电探测器成为红外光谱响应度测量装置的工作基准。     

空气系统双腔模型的压力动态特性分析

当发动机突然加速或发生突发失效时,空气系统在短时间内由容腔效应和管道流体惯性所形成的压力波动将对某些空气系统零部件产生负面影响。在经过验证的模块化瞬态空气系统仿真程序的基础上,分析了双腔模型的管道不同部位和容腔的压力变化。重点考虑了关键元件的尺寸对压力变化的影响规律。结果表明,此瞬变过程中出现的压力波动与空气系统的几何结构尺寸密切相关。此模型分析方法可以作为研究整机空气系统瞬变过程的基础。     

射电天文保护滤波器

本文介绍了射电天文波段保护滤波器,它是一种结构新颖的同轴带阻滤波器。这个滤波器使用了λ/4同轴腔谐振器和外方内圆的传输线。在研制中充分应用了同轴滤波器的设计技术,获得了高阻带衰减、低通带插入损耗的满意的实测结果。     

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。     

基于光学微腔模式劈裂的角速率测量方法

传统的光学谐振陀螺(ROG)把背向散射作为重要误差源之一,须尽量抑制其影响.在光学谐振腔的品质因数极高时,背散光得到足够的增强,不能再被简单地视为噪声.背向散射会引发模式劈裂,所形成的劈裂模谐振频率会随腔体旋转角速率发生变化.结合Sagnac效应,修正有源光学谐振腔模式劈裂传感原理的数学模型,推导出腔体旋转角速率与劈裂值的映射关系式.通过仿真分析不同掺杂增益系数以及不同光纤锥耦合强度下的反射谱线,发现谐振腔工作在欠耦合区域更适合角速率测量.掺杂增益介质可以提高品质因数,减小谐振峰线宽,使得模式劈裂谱线更容易观测.理论与计算机仿真分析表明品质因数为108的光学微腔测量分辨率可达10-6(°)/s,所提出的角速率敏感机制很有应用前景.      

子午工程首次火箭探空数据准单色惯性重力波特性分析

利用2010年6月3日子午工程首次气象火箭探测的温度和风场数据,采用矢端曲线法分别从平流层（20~50km）和对流层（0~15km）廓线提取了海南火箭发射场上空准单色惯性重力波参数.火箭探测的平流层和对流层两个准单色惯性重力波分别向上和向下逆风传播,固有周期为20.1h和22.4h,垂直波长为9.5km和4.0km,水平波长为2900km和753km,垂直群速度c_gz为0.0887m·-1和0.0298m·-1,水平群速度c_gh为12.7m·-1和3.65m·-1,λ_h/λ_z为305:1和188:1,c_gh/c_gz为143:1和122:1.      

窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器

为了获得稳定的窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器输出,对采用饱和吸收体的环行腔结构掺铒光纤激光器进行了研究.实验中采用未抽运掺铒光纤作为饱和吸收体形成窄带滤波器,并选用高反射率的光纤光栅作为波长选择元件,同时采用具有高消光比的保偏环行器来获得单偏振激光.窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器的峰值波长可以通过拉伸光纤光栅进行调谐,调谐的范围为1548~1552nm.当抽运功率为275mW时获得的输出最大功率55.4mW.通过采用光纤延迟自外差法的线宽测试技术测量出该环行腔掺铒光纤激光器的20dB线宽为3kHz,光纤激光器的输出光偏振态长时间稳定在偏振度99.9%.这种窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器可以作为相干激光雷达的稳定信号源.      

瞬态空气等离子体场的全息术研究

采用双波长双脉冲激光全息术,对有激波存在下的空气放电现象进行了研究。建立了双波长电弧折射率场方程,推导出冲击波区的压强同折射率之间的关系式,得出电弧场的压强分布.曲线及等离子体区的温度分布和电子、离子、原子、分子等粒子的数密度分布。     

测量表面粗糙度参数的反散射计算研究

用光的角散射分布技术测量工件表面的粗糙度参数是近几年来发展起来的新的测量技术。它具有分辨力高、非接触、区域平均和快速测量等优点,可获得多个表面粗糙度参数。采用该技术测量的实验装置角分辨力为0.1°,测量范围为0.6328μm<λ_s(空间平均波长)<40μm,0.0001<△_a(轮廓的算术平均斜率)<0.0088,2nm相似文献   

大扫描视场飞行器共形光学系统设计

共形光学窗口外表面与飞行器轮廓相同,可以显著提升飞行器的整体性能,但在大扫描视场应用时,引入大量非对称动态像差,严重影响成像质量。针对大扫描视场的共形光学系统,提出了基于共形窗口内表面优化,以及分视场单元透镜阵列的动态像差校正方法,实现动态像差的静态化校正。在84°扫描视场范围内,对共形光学系统进行仿真验证,结果表明：该方法使共形光学系统在全扫描视场范围内的Zernike多项式系数绝对值从0~10.82λ减小到0~1λ（λ为波长）,同时各通道单元透镜阵列保持固定状态。与目前已有方法相比,本文显著提升了大扫描视场共形光学系统的成像质量和系统稳定性,有效简化了系统结构。本文的研究对实现大扫描视场、高成像质量和高稳定性的共形光学系统有重要意义。     

内混音速空气雾化重油喷嘴的试验研究

在横向气流中直射喷嘴雾化研究及超音速气流中喷嘴雾化研究的基础上,针对工业窑炉中烧嘴以重油(通常为油渣)工作的问题,设计和试验研究了内混音速气流两次空气雾化重油喷嘴,从原理上解决了喷嘴雾化细度(燃烧完全)和火焰长度(刚性)之间的矛盾。文中得出合理选择这种喷嘴的结构形式、几何尺寸以及混合腔压力,同时得出很好的雾化细度以及要求的火焰长度。结果表明,混合腔压力与供气压力之比应在0.60～0.70之间,所需压缩空气的压力为0.4MPa,所设计的喷嘴已投入使用。