用于可移动量子重力仪的光纤拉曼激光源研究

基于两个窄线宽光纤激光器和自制的锁相控制系统,研制了一个低相位噪声窄线宽拉曼光纤激光源,建立了拉曼光纤激光系统的相位噪声模型,研究了拍频光功率、不同频率参考源对拉曼激光相位噪声的影响。实验结果表明,该拉曼光纤激光源在10 Hz~1 MHz范围内相位噪声功率谱密度可达到^(-11)8 dBc/√Hz,相应的相位噪声为22.7 mrad,将其应用到重力仪中获得的重力测量灵敏度为10.93μGal/√Hz。对拉曼激光源进行连续3 h的相位噪声稳定性测试和连续25 min的频率稳定性测试,得到的相位噪声标准差为0.734 mrad,相应的重力灵敏度标准差仅为0.349μGal/√Hz。当积分时间为1 s时,相位锁定时频率稳定度为2.675×10^(-11),验证了该激光源具有低相位噪声和高稳定性。利用相位噪声模型得到的理论结果与实验结果一致,证实了理论模型的正确性。

基于激光双边带抑制的冷原子干涉相移优化与控制

采用电光调制技术产生冷原子干涉所需要的拉曼光,虽然可以使激光系统更加紧凑和稳定,但其产生的残余边带会引入附加干涉相移,从而影响冷原子干涉测量精度.为了降低激光调制边带对冷原子干涉相移的影响,构建了一种用于冷原子干涉的双边带抑制激光系统.基于该系统,详细分析了激光双边带的产生原理和双边带抑制效果;研究了当残余边带存在时,拉曼反射镜的初始位置、相邻拉曼脉冲的间隔时间、调制深度和原子团初速度等一系列参数与冷原子干涉相移之间的关系,并优化相关参数,降低了残余边带对冷原子干涉相移的影响.当拉曼反射镜与冷原子团之间的距离为105 mm,相邻拉曼脉冲的间隔时间为82 ms时,相移可以优化到0.7 mrad.该研究结果为减小拉曼边带效应对冷原子干涉相移的影响提供了一个思路,相应的激光系统可用于其他惯性传感器,如原子重力仪或原子重力梯度仪等.

基于模间干涉的全光纤电压传感器设计

介绍了一种新型的光纤电压传感器结构和工作原理,分析了系统中椭圆芯双模光纤的传输模式和模间相干光斑的变化,采用熔接的方式进行相干光接收来获得正交相位漂移信号,根据模间群折射率差与光程差的关系设计调整光纤的长度,依据石英晶体和空气的绝缘强度进行传感光纤匝数设计,讨论了含源零差探测法的相位跟踪原理,给出了相位检测框架图及实验结果,分析表明该设计方案能达到相位跟踪的目的。

椭圆芯双模光纤在电压传感器中的应用与研究

文章简要介绍了双模光纤中存在的传输模式,讨论了椭圆芯双模光纤模斑稳定性。建立在光纤中传输模场的基础上,研究了两模间干涉特性和传感特性,指出了远场两瓣光斑的动态变化规律。针对不同的扰动,重点讨论了轴向应变、径向应变和温度变化对模间相位差的影响,分析了基于逆压电效应的双模光纤电压传感器结构和原理,以及信号的获取。

椭圆芯双模光纤特性的理论研究及应用

比较了圆芯和椭圆芯光纤中横电场模式和能量密度分布情况,指出当椭圆芯光纤的椭圆度1<e<2.3时,传输的两个低阶模为LP01基模和eLP11模,第二高阶模为oLP11模;当e>2.3时,第二高阶模为EH11模,讨论了LP11模式的形成。结合圆芯双模光纤参数的表达式,推导出了椭圆芯光纤的模间拍长LB公式,并给出了eLP11模的归一化截止频率Vc与椭圆度e的关系,由此确定了所选椭圆芯光纤的双模工作参数。最后简要介绍了椭圆芯双模光纤在传感器中的应用。

全光纤电压传感器相位检测的设计方案

介绍了基于模间干涉的全光纤电压传感器结构及原理,利用两个光电二极管探测双模光纤输出的相干模斑光强,通过模斑光强的变化测量待测电压引起的模间相位差变化,讨论了含源零差检测法的相位跟踪原理,给出了相位检测系统及电路,仿真和实验结果表明此设计方案能达到相位跟踪的目的。

反射式500kV全光纤电压传感器设计及电场分析

设计了一种基于两线偏振模(LP0x1和LP0y1)干涉和石英晶体逆压电效应的反射式500 kV全光纤高电压传感器系统,分析了传感器的测量原理,给出相应的信号解调方法,重点讨论了不同结构的光纤电压传感头的内外电场分布情况,结果表明,光纤电压传感头内部结构的不同会导致内外电场分布差别较大,通过优化系统得到,较长的弧形电极结构能使传感头的内外部电场强度分别降到1.19 kV/mm和2.79 kV/mm,均低于空气和石英晶体的击穿电场强度(3.5 kV/mm和>100 kV/mm),保证了系统的绝缘性和安全性,满足设计要求。

基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量

目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差,不能应用于野外进行绝对重力测量,这限制了原子重力仪的应用领域.本文利用自研的小型化原子重力仪,集成了一套车载绝对重力测量系统.该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成.首先,本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估,发现在野外40℃高温、8°大倾角普通路面的环境下,该系统仍然能够正常工作;其次,介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法,并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响.最后,在野外平坦路面上进行了重复测线工作,评估了系统的内符合绝对重力测量精度,结果约为30μGal;在野外大倾角山体路面,通过测量不同海拔高度点的绝对重力值,得到了地球的垂直重力梯度值,约为-231(36)μGal/m.本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.

拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响

电光调制技术是产生拉曼光的几种方法之一,其优点是系统简单、易搭建且环境适应性强.然而,这种调制技术会产生额外的边带光,并影响冷原子干涉绝对重力仪的测量精度.本文利用自行研制的可移动冷原子重力仪,研究了边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响.详细分析了拉曼反射镜的位置、拉曼脉冲的作用时刻及其间隔、拉曼光的失谐等一系列参数与边带效应之间的关系,实验发现这些参数对冷原子重力仪的精度评估有比较大的影响;此外,我们还发现在有边带效应的情况下,原本不影响重力测量精度的实验参数也会影响最终的重力测量结果.最后,通过研究拉曼边带效应与拉曼光失谐之间的关系,本文提出一种评估拉曼边带效应影响重力仪精度的方法.本文结果为减小拉曼边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响提供了依据.

基于CdSe/ZnS量子点薄膜结构的高双折射光子晶体光纤的色散与损耗控制

基于有限元法,设计了一种六边形排列含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的高双折射光子晶体光纤,分析了具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的色散及损耗特性.结果表明,含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的光子晶体光纤在x和y方向均存在基模.当泵浦光波长逐渐增加时,具有相同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的双折射值逐渐增大,x和y方向总色散先增大后减小且存在两个零色散点,损耗逐渐增大并在可见光波段趋近于零;具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤随CdSe/ZnS量子点薄膜厚度的增加,在相同泵浦光波长处,双折射值逐渐减小,x和y方向总色散逐渐减小且两个零色散点逐渐靠近,损耗逐渐增大.通过沉积不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜和选择合适泵浦光波长,可有效控制光子晶体光纤的色散和损耗.

电子电流互感器高压侧电路设计的改进

为提高电子式电流互感器测量精度,在此对高压侧电路进行了改进,提出了目前新的设计方案。主要叙述了Rogowski线圈、高压侧电源、高压侧信号处理电路即积分电路、移相电路的改进情况。通过采用新型罗氏线圈可使线圈均匀绕制和每匝线圈横截面相等,克服了传统罗氏线圈的缺点。提出了一种新的高压供电方案,使供电电路能够在母线大电流和空载小电流下仍能正常工作,提供稳定的输出电压,有效解决了电子电流互感器高压侧电源问题。介绍了数字积分器,采用积分算法设计的数字积分器具有更高的精度和稳定性,相位特性优良。同时提出基于贝塞尔滤波器的全通恒时延滤波器,其幅度特性恒定,而且在低频范围内具有恒定的延迟时间。

自动验光仪中调焦光学系统的设计与研究

介绍了一种自动验光仪中调焦光学系统。通过研究自动验光仪中调焦光学系统的光学成像特性,首先建立调焦组的移动量与屈光度之间的关系,设计出系统的初始结构参数;然后在Zemax中建立相应的调焦光学模型,通过选取9个典型屈光度对结构参数进行优化;最后对优化结果进行分析与讨论。分析结果表明:所设计的调焦光学系统对-22D,-10D,-5D,-1D,1D,5D,10D这7个典型屈光度进行验光是可行的。

船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量

重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定平台,搭建了一套船载绝对重力动态测量系统,并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验.经评估,船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz^-1/2,1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.通过两周的绝对重力测量,评估了系统的稳定性.为了评估绝对重力的动态测量精度,将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较,两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072±0.134)mGal.本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.

基于扩展卡尔曼滤波算法的船载绝对重力测量数据处理

基于冷原子干涉仪的高精度绝对重力动态测量为海洋重力测量提供新的手段,因而备受关注.利用自己搭建的船载冷原子干涉式绝对重力测量系统,在中国南海某海域开展了一系列测量实验.在动态条件下,测量噪声的抑制对测量性能的提升至关重要.本文根据船载绝对重力动态测量系统的物理模型,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的动态绝对重力数据处理方法,对观测的原子干涉条纹数据进行了时域滤波处理,获得了绝对重力值的最优估计.基于该处理方法将航速小于2.1 km/h条件下的绝对重力测量灵敏度从300.2 mGal/Hz^(1/2)提升至136.8 mGal/Hz^(1/2)(T=4 ms).此外,将处理后的数据与利用地球重力模型(XGM2019)计算的数据进行了比对,发现两者符合度较好.这些结果证实了本文提出的数据处理方法的有效性,并为船载冷原子干涉式绝对重力测量系统的测量噪声的抑制提供了一种新的处理方法.

基于冷原子重力仪的绝对重力动态移动测量实验

动态重力测量可以提高重力场的勘测效率,对基础地质调查、资源勘探、地球物理研究等具有十分重要意义.本文基于冷原子重力仪、惯性稳定平台和牵引动力装置搭建了一套绝对重力动态移动测量系统,并开展了绝对重力动态测量实验.首先测量了不同牵引速度下的垂向振动噪声功率谱,理论分析了其对动态重力测量的影响;其次评估了不同牵引速度对原子干涉条纹对比度和直流偏置量的影响,分析了动态环境下的振动补偿效果;在最大牵引速度为5.50 cm/s、最大振动幅度为0.1 m/s^(2)的情况下,实验上仍能基于振动补偿技术恢复原子干涉条纹.在此基础上,通过开展不同T下的原子干涉条纹测量,评估了动态测量环境下的绝对重力值,在校正完系统误差并减去绝对重力初始值后得到的测量结果为(–1.22±2.42)mGal(1 Gal=0.01 m/s^(2)).最后,通过与静态环境下的绝对重力测量值进行比较,发现两者基本吻合.本文开展的绝对重力动态移动测量实验有望为车载动态绝对重力测量提供数据参考.

基于CdSe/ZnS核壳量子点薄膜的荧光温度传感器

设计了基于CdSe/ZnS核壳量子点薄膜发光谱温变特性的温度传感器。在30~160℃温度范围内,CdSe/ZnS核壳量子点的光致荧光(PL)谱随温度呈现规律性变化。温度升高时,PL谱自参考峰值强度减小、峰值波长增大、半峰全宽增大;而且PL谱自参考峰值强度、峰值波长和半峰全宽温变特性分别非常符合一次、一次和二次拟合函数关系,其对应的相关性指数R2均达到96.6%以上;PL谱峰值波长温变灵敏度达到0.06 nm/℃,分辨率约为0.1℃。同时,采用PL谱自参考峰值强度比单纯的PL谱峰值强度更具有温度测量稳定性和精确性。

基于车载原子重力仪的外场绝对重力快速测绘研究

地球重力场信息是大地测量学、地球物理学、地球动力学等学科所必需的重要基础信息,重力场测绘是获取地球重力场信息的有效手段.相比于卫星、海洋、航空重力场测绘,车载重力场测绘具有灵活性强、空间分辨率高、精度高等优点.基于相对重力仪和高精度绝对重力基准点可以实现陆域小范围重力场测绘,但相对重力仪存在零点漂移,不适用于长基线、大范围的陆域测绘.本文基于小型化原子重力仪搭建了一套车载绝对重力快速测绘系统,在郊区安静外场环境,由12个测点约3 km的测绘结果评估仪器的内符合精度为0.123 mGal(1 Gal=10^(–2)m/s^(2)),外符合精度为0.112 mGal,并在闹市复杂外场环境下实现了单点调节时间小于2 min,有效测量时间5 min的快速绝对重力测量,通过19个测点跨区约24 km的重力场快速测绘,评估仪器的内符合精度为0.162 mGal,外符合精度为0.169 mGal.最后将原子重力仪的外场重力场测绘数据与卫星重力模型计算的数据进行了比较,发现两者的自由空间重力异常数据的整体变化趋势相吻合.本文为外场绝对重力场快速测绘提供了一种新的方案.

基于调制转移光谱多参量相关的激光稳频特性研究

基于调制转移光谱技术实现了分布式反馈半导体激光器在87RbD2线F=2→F΄=3上的频率锁定,并理论和实验研究了调制频率、解调相位、泵浦光偏振和磁场等多参量对调制转移光谱信号幅值、过零点斜率的影响,为选择和优化调制转移光谱稳频技术提供依据。研究表明,当泵浦光调制频率位于9~15 MHz,调节信号相位改变量在π/5附近时,可获得最佳的锁频信号。实验中,当调制频率为12.5 MHz,泵浦光与探测光偏振角为90o,外加磁场为5 Gs时,通过优化解调信号相位和比例积分微分控制参数,使调制转移光谱信号幅值及过零点斜率达到最佳,实现了分布式反馈半导体激光器的高精度频率锁定。锁频后的激光线宽约为1.6 MHz,频率稳定度小于1.75×10-9,该锁频激光系统可用作冷原子干涉的光源。

基于1560 nm外腔式激光器的拉曼光锁相技术

拉曼光产生技术是量子精密测量领域的一个重要研究内容,是冷原子重力仪、冷原子陀螺仪等量子惯性传感器的关键技术.对于铷87原子,需要两束频差6.834 GHz且相位稳定的780 nm激光来产生拉曼光.基于两台外腔式780 nm激光器,并利用光学锁相环技术可以产生拉曼光,但系统复杂、环境适应性不强.基于内腔式1560 nm激光器,通过倍频和电光调制技术也可以产生拉曼光,虽然系统简单、环境适应性强,但测量性能受边带效应影响.受限于内腔式激光器的线宽及反馈带宽性能,一般无法利用光学锁相环方法来产生拉曼光.鉴于此,本文基于两台新型外腔式1560 nm激光器和自制锁相电路系统,实现了一套低相噪的拉曼光系统,相位噪声功率谱在1-10 kHz频段低至-95 dBc/Hz.通过与780 nm双激光器及混合双激光器锁相性能进行比较,发现该方案略具优势.此外,通过分段积分的方法分析了该锁相性能对冷原子干涉仪相位噪声的影响.本文实验结果为研制小型化、外场适用的拉曼光系统提供了一种方案.

量子点薄膜结构光子晶体光纤色散及损耗特性分析

利用频域有限差分法,应用各项异性完全匹配层,设计了不同结构的含CdS量子点薄膜的光子晶体光纤,通过求解麦克斯韦方程得到了相应的波导模本征方程,进而得到一个复数形式的传播常数和波导模有效折射率,并在此基础上分析了所设计光纤的色散及损耗特性.分析结果表明,含CdS量子点薄膜结构光子晶体光纤存在基模;增大孔间距和增大量子点薄膜厚度,零色散波长与最小损耗波长均发生红移;选择较小孔间距、较薄量子点薄膜结构和合适的光波长,会有效减小损耗.