基于最优控制理论的国产光抽运小铯钟频率控制算法

原子钟频率控制是时间保持工作中的关键技术.当前守时工作中的频率控制主要针对国外微波钟采用开环控制算法,但由于国产光抽运小铯钟(下称国产钟)的工作原理和性能不同于国外同类型原子钟,因此该算法不能很好适应国产钟.为了提升我国标准时间的自主性和安全性,本文基于国产钟的噪声特性,在最优控制理论的框架下研究了线性二次高斯控制算法,该算法属于闭环控制算法,从同步时间、频率控制准确度和频率控制稳定度方面研究国产钟性能,最后分析了不同控制间隔对国产钟性能的影响.结果表明随着二次损失函数中约束矩阵W_(R)的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高.W_(R)相同情况下,随着控制间隔的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高,对于W_(R)=1时,控制间隔为1 h的同步时间为5小时,控制准确度为1.83 ns,1 h的Allan偏差为1.81×10^(-13);控制间隔为8 h的同步时间为28 h,控制准确度为4.48 ns,1 h的Allan偏差为1.48×10^(-13).控制国产光抽运小铯钟的中长期稳定度都得到提高.

国家授时中心锶原子光钟的实验研制进展

目前光钟的稳定度和不确定度均已进入10^-18量级。介绍了中国科学院国家授时中心的锶原子光晶格钟的研究情况。以锶原子四种同位素中自然丰度最大的^88Sr为研究对象，依次实现了^88Sr的一级冷却和二级冷却。为消除一阶多普勒频移和反冲频移对冷原子运动的影响，充分发挥原子极窄钟跃迁谱线线宽的优点，冷原子被囚禁于光晶格中。而由光晶格导致的原子能级频移的问题可被“魔术”波长解决，对锶原子光钟，光晶格波长为813．4nm。实验中采用功率放大的半导体激光器输出“魔术”波长激光，通过一维驻波光场搭建将^88Sr装载进一维光品格中。测量得到囚禁于光晶格中的冷原子寿命为270ms，温度为3．5μK，数目为1．2×10^5。光晶格囚禁为下一步的钟跃迁信号提供了较长的探测时间并且有利于获得极窄线宽的钟跃迁谱线，因此是光钟研制中很重要的一步。

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10-18量级.本文介绍了碱土金属锶原子玻色子88Sr在"魔术"波长处的一维光晶格装载,实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s2)1S0—(5s5p)3P0在此波长处的交流斯塔克光频移一致.实验中半导体激光器产生"魔术"光波长(813 nm),通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束,束腰半径为38μm.经过一级冷却和二级冷却后温度约为2μK的冷锶原子被此"魔术"波长光晶格囚禁.通过实验测量得到锶原子玻色子88Sr光晶格寿命为270 ms,数目约为1.2×105,温度在3.5μK左右,此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用.原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间,为进一步的光钟闭环提供了实验基础.

基于光学时延补偿的50km光纤微波频率传递

报道了利用50km光纤实现4.38×10^-15@1 s和2.80×10^-18@65.5×10^3s稳定度的微波频率传递的实验研究.实验系统采用多普勒噪声消除技术,通过在本地端探测往返传递的微波信号相位获得链路上的相位变化信息,并实时控制光延迟调整机构进行补偿.光延迟控制采用压电陶瓷的快速拉伸和慢速光纤温控联合方式,可实现5 ns和千赫兹带宽的光延迟控制,能够实现光纤噪声的长期高精度补偿.与电相位补偿相比,光延迟补偿受微波泄露的影响相对较小,而微波泄露影响在类似系统难以避免,因此这种方式更利于获得高稳定度的频率传递.此外,系统采用变频往返传递消除光寄生反射效应,以及色散补偿光纤减小因色散引起的调制信号衰减等措施,提高了系统的技术指标.

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.

环境对大型激光陀螺仪的影响研究综述

基于萨格纳克效应的大型激光陀螺仪被认为是精确监测地球自转的合适传感器,可用于潜在的地面科学研究和重大工程应用,如世界时UT1精密测量,地球固体潮观测、旋转地震波探测、广义相对论预言引力磁效应等领域。激光陀螺的灵敏度随环形腔尺寸增大而提高,其运行的长期稳定性受环境变化的影响。本文从激光陀螺仪工作原理出发,梳理了温度、倾斜、气压和风等环境变化对大型激光陀螺仪灵敏度和稳定度的影响,分析说明监测环境因素变化对其输出的萨格纳克频差修正和处置方法,为提高大型激光陀螺仪应用性能提供相关指导。

测地激光陀螺反射镜法向位移影响分析

测地激光陀螺是一种基于Sagnac效应的测量地球自转角速度的惯性传感装置,可应用于世界时、大地测量学等领域。激光陀螺一般由压电陶瓷控制推移反射镜来提高稳频精度。针对稳频机构工作过程中球面反射镜的法向位移对谐振腔的影响,从环腔稳定性定义出发,不同于传统的光学矩阵分析谐振腔稳定性,而是使用更真实的射线追踪仿真对球面反射镜法向位移时谐振腔的出光稳定性进行分析。仿真结果表明,环腔的尺寸与球面反射镜的法向可位移范围呈正相关,实验测得可位移范围为1.492~1.695 mm左右,实验与仿真结果误差在1%内。本文对测地激光陀螺在稳频机构工作过程中的球面反射镜法向位移的影响进行了初步探究,研究结果对于测地激光陀螺的稳频控制及陀螺搭建有一定参考意义。

锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制

为了实现中国科学院国家授时中心研制的锶原子光晶格钟钟跃迁的自动化探测,设计了完整的自动控制系统。该系统主要由延迟精度与同步精度在μs量级的时序控制系统和满足要求的激光频率扫描系统组成。两个控制系统均通过LabVIEW软件编程及虚拟仪器控制光场和磁场。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁,最终得到了高信噪比载波线宽为180Hz的锶原子1S0-3P0钟跃迁谱线。谱线展现了高信噪比和窄线宽的特点,表明整个锶原子光钟系统的运行较为稳健,整个控制系统满足实验对于控制精度的需求,实现了锶原子光钟系统的自动化操作与控制。该控制系统具有一定普适性,也可拓展至需要对光场及磁场进行控制的其他系统中。

线性塞曼劈裂对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中亮孤子动力学的影响

利用变分近似及基于Gross-Pitaevskii方程的直接数值模拟方法,研究了自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中线性塞曼劈裂对亮孤子动力学的影响,发现线性塞曼劈裂将导致体系具有两个携带有限动量的静态孤子,以及它们在微扰下存在一个零能的Goldstone激发模和一个频率与线性塞曼劈裂有关的谐振激发模.同时给出了描述孤子运动的质心坐标表达式,发现线性塞曼劈裂明显影响孤子的运动速度和振荡周期.

锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现

为了实现^(87)Sr原子光钟的闭环运行,根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理,设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先,详细分析了^(87)Sr原子光钟闭环运行的具体需求,包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序;然后,根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统;最后,利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了^(87)Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示,采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10^(-17),拟合得到的环内稳定度为5×10^(-15)/τ^(1/2),表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。

空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统

空间锶原子光钟在轨运行过程中会感受到幅度约为80μT的地磁场变化,通过引入同等大小的外磁场变化,实验观测了变化地磁场对空间光钟冷原子由磁光阱装载到光晶格的影响。理论分析了地磁场变化对钟跃迁探测的影响,并对磁场稳定性需求进行了分析。通过电动旋转台和永磁体模拟空间环境变化的磁场,利用三维磁通门进行实时探测,设计了主动补偿系统并对外界磁场进行实时补偿,使空间光钟磁光阱中心区域磁场波动在亚μT量级,满足了空间光钟对磁场的补偿与控制需求。

囚禁于简谐势+四次势阱中两组分旋转玻色爱因斯坦凝聚体

采用中心差分和虚时演化数值实验方法研究了囚禁于简谐势+四次势阱中的两分量快速旋转玻色爱因斯坦凝聚体.研究发现四次势可以允许凝聚体的旋转速度超过谐振势的径向频率ω⊥,即使凝聚体的旋转速率Ω>ω⊥,它也不会因离心力的增大而导致凝聚体的散落;随着旋转速率Ω的进一步增大,凝聚体开始出现涡旋结构分布,再继续增大到超过某一临界值时,涡旋格子中心将出现空洞,最终形成一个环状基态相分布;研究了原子种内相互作用强度对基态结构的影响,发现原子种间相互作用强度的增加,会打破两组分玻色爱因斯坦凝聚体的对称分布,进一步增加会发生从相混合到相分离的相变.

量子色散消除的研究进展

非局域色散消除是量子纠缠光源的非经典效应之一,在量子信息科学中有着重要的应用。详细介绍了非局域色散消除的概念、研究意义以及近几年国内外的发展状况。对频率纠缠光源的非局域色散消除、Franson干涉仪中的非局域色散消除、Hong-Ou-Mandel干涉仪中的局域色散消除等3种情况的研究进展进行了对比分析。在此基础上,对量子色散消除的研究前景进行了展望。

表面等离激元晶体抑制^(88)Sr光钟中的黑体辐射频移

在锶原子光晶格钟中,黑体辐射效应对光钟的频率不确定度影响最为显著。利用表面等离激元晶体的滤波特性,屏蔽大部分黑体辐射能量,可以显著减少相应频移量及其涨落。通过对设计器件透射谱的分析可以测算,经滤波后的黑体辐射剩余能量约为初始能量的4.8%,则锶光钟的黑体辐射频移可减小至112.6mHz,相应不确定度约为3.6×10-18。

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素^(88)Sr和^(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对^(87)Sr原子钟跃迁能级5s^2~1S_0→5s5p^3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.

高精细度光学参考腔的自主化研制

高精细度超稳光学参考腔是获得超窄线宽激光的核心部件.本文报道了面向空间应用的高精细度球形超稳光学参考腔自主化研制及其初步测试结果.设计球形腔体直径为80 mm,腔长78 mm,采用平-凹腔镜结构,凹镜曲率半径为0.5 m.使用有限元方法计算了该参考腔的震动敏感度,最佳支撑位置的震动敏感度小于1×10^(-10)/g.采用超光滑表面三级抛光技术实现光学表面粗糙度小于0.4 nm(rms)的超精密加工,采用双离子束溅射法实现工作波长反射率大于99.999%、损耗小于4 ppm腔镜镀膜,干式光胶方法键合腔体和腔镜.利用扫腔线宽法和腔衰荡法对参考腔的线宽和精细度进行了测量,结果表明该参考腔的精细度约为195000,线宽为9.8 kHz.将698 nm半导体激光器锁定到该参考腔上测得其损耗<5 ppm.与实验室进口同类型参考腔相比较,主要性能指标与其相当.

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10^(-17).

环形激光器电源激励技术研究进展

激光陀螺仪因其在转速测量中高精度、高灵敏度的特点,被广泛应用于惯导、地震测量等领域,而大型激光陀螺仪具有更高精度,常被用于测算地球参数。在大型激光陀螺仪或测地激光陀螺仪中主要使用主动式环形He-Ne激光器来实现高效率单模激光输出。He-Ne激光器为陀螺仪提供光源的质量与电源激励的状态有较大关系,因此对激励电源的研究意义重大。论文首先阐述了陀螺仪中He-Ne激光管相关工作要求及其高压直流放电和射频放电两种激励方式的发展概况;然后分别研究了He-Ne激光管的高压直流电源电路和射频激励源电路的构成、基本工作原理及其阻抗匹配网络的作用与实现过程,引入反馈控制思想,提高稳流、稳压能力;之后对两类激励方式的优缺点进行了论述,为未来大尺寸高精度激光陀螺仪激励源的研究提供了建议。

玻色-爱因斯坦凝聚中的环状暗孤子动力学

环状暗孤子最早是在非线性光学系统中理论预言并实验实现的一种二维孤子类型.跟通常的二维孤子(如条纹孤子)相比,环状暗孤子具有更好的稳定性和更加丰富的动力学行为.玻色-爱因斯坦凝聚由于其高度可调控性为研究环状暗孤子提供了一个全新的平台.本文结合玻色-爱因斯坦凝聚和孤子研究的现状,综述玻色-爱因斯坦凝聚中环状暗孤子的解析解、稳定性调控及其衰变动力学等方面的研究进展.首先介绍了一套变换方法将均匀系统中非线性系数不随时间变化的环状暗孤子解析解推广到谐振子外势下非线性系数随时间变化的环状暗孤子解析解;然后讨论在形变扰动下环状暗孤子的稳定性相图,并介绍了如何利用周期调制的非线性来增强环状暗孤子的稳定性;此外,还重点讨论了环状暗孤子衰变导致的涡旋极子动力学以及斑图形成.