北京大学小型化光抽运热、冷铯束原子钟研究进展

北京大学光抽运铯束原子钟小组致力于发展连续式光抽运铯束原子钟的关键技术,为长时间守时、导航定位等军事和科研领域的应用提供关键设备。本文总结了国内外守时型小铯钟的研究现状,分析和比较了不同小组的磁选态、光抽运等小铯钟的方案、特点和结果。其中,北京大学光抽运铯束原子钟小组所研制的小铯钟通过长达90 d的长期测试,在保持了3×10^(-12)/τ^(1/2)短期稳定度的情况下,进一步得到了7×10^(-15)的5 d稳定度,准确度优于3×10(-13)。另外,本文还介绍基于二维磁光阱的冷原子铯束光抽运原子钟的研究结果,我们得到了线宽为40 Hz的Ramsey信号,这为下一步获得连续冷原子束原子钟奠定了基础。

玻色-爱因斯坦凝聚的量子操控

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是当前原子分子物理的一个国际前沿课题.自从1995年在激光冷却的基础上实现BEC以后,全世界已有几十个研究小组成功地获得了BEC,并取得了一批引人注目的成果。研究玻色凝聚体的动量操控是超冷量子气体研究的重要研究方向,北京大学研究小组于2004年在实验上获得铷原子玻色凝聚以来,在玻色凝聚体的超辐射散射方面作了一系列研究工作,主要介绍该研究组近五年来利用超辐射散射在铷原子玻色凝聚动量操控方面的研究工作。

量子干涉及其在光存储中的应用

全光通信一直是光通信领域的一个追求,其中最大的瓶颈来源于过去光电转换的不可或缺。近些年来,随着量子干涉与量子信息技术的发展,人们已经实现了对于光脉冲实施群速度的任意操控,乃至于将光脉冲相干地存储在介质中,然后释放出来。这为最终真正地实现可以实用的光存储,并最终实现全光通信带来了极大的希望。

量子频标中的原子物理

频率是自然界中测量得最准的物理量.量子频标是频率的测量标准,它是利用原子跃迁谱线的稳定而准确的频率作为参考频率.频标研究中存在几乎所有的原子物理问题,如原子结构与光谱、原子与电磁场的相互作用以及原子碰撞等问题值得深入研究.本文就量子频标的基本原理和应用,量子频标中存在的原子物理问题做以简要评述.

核磁共振技术定量表征致密砂岩气储层孔隙结构--以临清坳陷东部石炭系-二叠系致密砂岩储层为例

核磁共振技术能够实现岩石微米—纳米级孔隙高精度、快速、无损测量,为致密砂岩孔隙结构定量表征提供新的手段。基于压汞数据刻度核磁共振T_2谱的方法,针对致密砂岩压汞进汞饱和度不足100%而造成的测不准问题,提出采取压汞曲线和T_2谱从右边界的最大孔隙向左侧小孔隙累加,选定右累加曲线中压汞测量的孔喉半径范围作为核磁共振孔喉半径的可对比区间,利用纵向插值法和最小二乘法构建T_2谱转换的孔喉半径分布曲线。选择临清坳陷东部石炭系—二叠系致密砂岩气储层为研究对象,利用改进方法获得核磁共振T_2谱和孔喉半径转换系数及孔喉半径分布,定量研究了储层孔隙结构特征,并结合岩石薄片、扫描电镜观察,探讨了致密砂岩孔隙结构差异成因及储层有效性。结果表明,利用改进方法得到的核磁共振孔喉半径曲线与压汞曲线吻合度高,显著提高了致密砂岩核磁共振测试的准确度。研究区石炭系—二叠系致密砂岩孔喉半径主要分布于0.002~2μm,总体为亚微米—纳米级孔隙,但不同类型砂岩孔喉半径分布具有明显差异:岩屑石英砂岩富硅质、贫塑性岩屑和杂基,总体以亚微米级孔喉为主,含微米级孔喉;岩屑长石砂岩和长石岩屑(富石英)砂岩石英含量高、塑性岩屑和杂基含量较低,为亚微米—纳米级孔喉(纳米级占优);而长石岩屑(富岩屑)砂岩和岩屑砂岩贫石英、富塑性岩屑和杂基,主要是小于0.05μm的纳米级孔喉。微观岩石学组分是控制孔隙结构差异和储层有效性的关键因素,储层质量宏观上可能受控于沉积微相,粗粒和细粒的点砂坝/河床滞留微相岩屑石英砂岩是最有利储层,细粒的点砂坝微相岩屑长石砂岩、分流河道和障壁砂坝长石岩屑(富石英)砂岩是较有利储层,而潮坪相长石岩屑(富岩屑)砂岩、岩屑砂岩均是孔、渗性极差的无效储层。

核磁共振技术测量生物骨密度的设备及方法

诊断骨质疏松症多采用双能X射线吸收方法测得的骨密度数据作为依据,但是该方法存在一定量的辐射,且准确性不高.该文设计并改进了一套核磁共振装置,通过在发射和接收线圈之间增加快速切换开关（Q-switch）,使得核磁共振自旋回波的回波时间缩短至80μs的超短回波时间范围,实现了对T_2弛豫时间很短的骨组织核磁共振自旋回波信号的采集;将T_2弛豫时间谱和双能X射线方法测量的骨密度数据进行了对比研究,发现核磁共振T_2弛豫时间谱上300~500μs之间的峰值与骨密度之间具有良好的线性关系,随着骨密度的增大,相应的T_2弛豫时间峰值缩短;利用核磁共振T_2弛豫时间谱技术,结合双能X射线吸收方法,提出了一种测量生物离体骨骼样本骨密度的方法.该测量方案具有测量速度快、对人体完全无害、跨时期比较性强等优点,很好的弥补了现有测量方法的不足,在骨质疏松症的诊断和疗效评估中有着良好的应用前景.

基于低场核磁共振T1-T2谱技术定性和定量分析罗非鱼各组织的方法探究

形体指标的检测是鱼类常规营养评定的重要组成部分。目前,分析鱼类组织体重比的方法会对鱼体造成损伤,且取样过程复杂,迫切需要无损快速检测技术分析鱼体组织占比。低场核磁共振技术具有快速无损检测的特点,已有研究利用低场核磁共振T1谱技术检测小鼠内脂肪组织体积,但尚未有研究应用低场核磁共振T1-T2谱技术对鱼类各组织器官进行定性和定量分析。基于此,利用低场核磁共振T1-T2谱技术,将分离后的罗非鱼的肌肉组织、腹腔脂肪组织、肝脏组织、肠道组织单独以及混合后进行扫描分析,结果发现利用低场核磁共振T1-T2谱技术可以分离罗非鱼肌肉组织和腹腔脂肪组织,但是无法区分肝脏组织和肠道组织。进一步对能够实现分离的肌肉组织和脂肪组织建立定量分析的模型,分析罗非鱼组织信号强度与组织重量相关性,结果显示,肌肉组织相关性R^2=0.974 3,腹腔脂肪组织相关性R^2=0.965 0。并利用罗非鱼活体验证了肌肉组织定量分析模型的可靠性,将活体扫描肌肉信号大小转换成肌肉组织重量并分析其与全鱼体重相关性,结果显示肌肉组织重量与体重相关性R^2=0.806 9。研究表明,在鱼类营养代谢研究中,可以利用低场核磁共振T1-T2谱技术快速无损地定量分析鱼体内肌肉组织含量。

北京大学研制成功重复频率330MHz掺镱光纤飞秒激光器

基于光纤飞秒激光器的光学频率梳是频率梳发展方向。但光纤激光器受光纤长度的限制,重复频率,即光梳的梳齿频率间隔不容易做得很大。

北京大学飞秒光纤激光器研究新进展

超短脉冲激光器从20世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了其应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内的热门课题。

水驱油过程的核磁共振二维谱研究

岩心水驱油过程中油水分布状况是岩心多孔介质的重要性质.水驱油过程的研究是进一步进行提高采收率研究的基础.核磁共振扩散-弛豫二维谱提供了岩心中流体性质的多方面信息,与核磁共振一维弛豫谱相比极大地提高了区分油水的能力.该文通过2组岩心水驱油实验,从不同含油饱和度的扩散-弛豫二维谱中提取出水的一维弛豫谱,在原油粘度比较高的情况下获得了驱替过程中油水在不同孔隙中的分布状况以及润湿性等信息,解决了单独用一维弛豫谱方法难以区分油水的问题.该文的研究方法对油田提高采收率的研究有比较大的参考价值.

可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频设计

介绍了一种新型实用的半导体激光稳频系统,主要包括精密控温电路、精密控流电路和激光稳频电路。对电路原理进行了讨论,给出了具体的参考电路和测量结果。结果表明控温电路的控制精度达到1 mK,使得由于温度影响导致的频率漂移小于3.8 MHz,控流电路的控制精度为1μA,使得由于电流抖动引起的频率抖动小于1 MHz,控温、控流电路与稳频电路组成的半导体激光稳频系统能够很好地将频率稳定于原子跃迁线上。所设计的稳频系统精度高、调节方便,可用于激光精密长度测量、化学精密检测和激光冷却等。

外腔半导体激光器的设计与高次谐波稳频

首先讨论了半导体激光器外腔结构参量对激光连续可调范围影响的理论计算方法,给出了Littrow结构外腔半导体激光器调谐范围的计算结果。然后介绍了半导体激光器外腔结构参量的具体设计,利用该设计得到了出射激光线宽小于1MHz、连续可调谐范围可达3GHz的780nm波段外腔半导体激光器。接着讨论了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频,优化激光频率短期稳定度的方法。最后根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。

二维核磁共振观测岩石润湿性

润湿性是反映储层中油水分布状况的一个重要表征参数,因此研究储层岩石的润湿性对原油开采有着重要的意义.扩散弛豫二维谱可展示扩散系数与弛豫时间的相关性,并可以对油水的弛豫时间、扩散系数分别进行研究,与核磁共振一维弛豫谱相比极大地提高了区分油水的能力.该文首先通过多组实验验证扩散-弛豫二维谱可以很好地观测到油水共存状态下玻璃珠表面的润湿性,继而通过对3组人造岩心表面润湿性的测量,获得了人造岩心表面润湿性的信息,解决了此时单独用一维弛豫谱方法难以区分油水的问题.利用二维谱观察岩石润湿性的研究对油田提高采收率的研究有较大的参考价值.

大气无线光通信系统中数字脉冲间隔调制研究

基于光强闪烁的大气无线光通信系统模型,研究了数字脉冲间隔调制(DPIM)方式的差错性能,分析了符号结构、发射功率、带宽需求等问题,并与 OOK(开关键控)和 PPM(脉冲位置调制)调制方式进行比较。理论和仿真研究结果表明,DPIM 调制方式较 PPM 方式有较高的功率效率和较少的带宽需求,特别是在系统实现上相对于 PPM 大大简化。因此 DPIM 应用于无线光通信系统具有一定优势。

基于单片FPGA的多通道磁共振成像接收模块

提出了一种基于FPGA的多通道磁共振成像接收模块,能对多个独立通道的磁共振信号进行直接采样、数字下变频,以及数据流控制,并对其进行了成像实验.设计中采用Xil-inx公司的系统级DSP开发工具——System Generator对FPGA内部所有功能进行建模、仿真并生成相应的硬件描述语言.模块的采样速率为80MSPS,能灵活实现1kHz～1 MHz范围的可变接收带宽,适用于1T以下的磁共振成像系统;在单片FPGA内完成1～4个通道采样信号的数字正交解调,抽取滤波和数据流的处理,并可扩展至8通道.实验证明模块具有体积小,集成度高,可重构性强和成本低等特点,为磁共振成像谱仪的多通道接收系统提供了一种高性能的数字化解决方案.

无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究

大气光强闪烁会明显降低无线光通信的通信质量。为了降低这种影响,进行了卷积交织结合(1/2,7)卷积编码用于无线光通信系统的实验及仿真研究,完成了相应的实验光机和通信电路的研制,设计了OOK方式调制785nm半导体激光器的方案应用于室外无线光通信系统。理论和实验结果都表明,设计的差错控制编码技术在弱湍流条件下,较好地提高无线光通信系统的通信性能。此外,外场实验和仿真结果还反映出,大气湍流引起的光信号的深衰落会明显影响系统的通信误码率,提高交织器的交织深度可以有效地抑制其影响。

利用动态接收增益提高磁共振成像信噪比的方法

提出了一种提高磁共振成像(MRI)信噪比的有效方法.该方法在每次采集回波信号前,能够快速、灵活地控制MRI接收机的增益,实现磁共振信号动态范围的压缩;在图像重建之前采用双精度浮点运算扩展动态范围压缩的磁共振信号,最终得到信噪比提高的重建图像.在1.5 T超导MRI系统上进行了自旋回波序列的水模成像,实验结果表明,相比传统的基于固定接收增益的扫描图像,利用该方法得到的T1加权图像信噪比可以提高10%.和其他提高磁共振信号动态范围的方法相比,该方法无需增加额外硬件电路,避免多次采集图像,因而具有实现成本低的优点,是一种提高MRI信噪比的有效方法.

利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量

介绍了633 nm半导体激光频标系统,高重复频率锁相飞秒激光器系统和绝对频率测量系统的建立以及测量碘分子超精细跃迁绝对频率的系统方案。633 nm半导体激光频标采用三次微分稳频方法,将激光频率锁定在碘分子谱线上,获得0.5 mW的稳频激光输出。飞秒激光稳频系统通过锁相电路将飞秒激光的高重复频率(760 MHz)和初始频率稳定在微波频率标准上,从而得到稳定的飞秒光梳,其稳定度优于6.44×10-13。在此基础上建立了绝对频率的直接测量系统,即利用波长计直接测量光梳的齿数n,并通过拍频法,测出633 nm半导体激光频标与飞秒光梳的差频,从而计算出相应谱线的绝对频率。这样,通过锁相飞秒激光器,建立了微波频率标准到光学频率标准的传递,为进一步的基础研究工作奠定了基础。

高码率无线光通信交织卷积编码新方案研究

为了克服大气湍流引起的光信号的深衰落,提高交织器的交织深度是一种有效的方法。提出了一种新的前向纠错方案用来降低交织深度较大的交织器设计的复杂性,该方案在发射端采用交错卷积编码结构,将编码输出序列经字节组合后,再通过字节交织方式离散大气湍流所引起的衰落信号;在接收端设计成字寻址的解交织,给出了一种对数度量量化的软判决Viterbi并行译码方式。针对该方案进一步优化了字节组合方式,提出了与之相匹配的新型的互质型分段字节卷积交织结构。将该方案用于通信速率为300Mbit/s的无线光通信系统,仿真结果表明,该方案能够降低交织器和单译码器的处理速度要求,而且在误码率为10?6时,相对于最佳阈值判决有约6.9dB的编码增益,与完美交织下的编码性能仅相差0.3dB,这在高码率无线光通信系统中抑制大气湍流的影响有潜在的应用价值。

缝洞型油藏致密基质灰岩的压力敏感性规律的NMR研究

相比于常规储层,缝洞型油藏灰岩储具有集体结构复杂、缝洞尺度差异大、裂缝起主要沟通作用等特点,使用常规方法研究其流动特性和流体分布规律异常困难.该文采用自行研制的核磁共振(NMR)在线驱替装置对塔河奥陶系油藏15块致密基质灰岩岩芯进行了压力敏感性实验,获得了高压及流动状态下岩芯的横向弛豫时间(T_2)谱变化情况.在此基础上分析了灰岩在压敏实验过程中微裂缝尺寸、孔隙度及渗透率的变化规律,并与常规测试分析结果进行了对比.结果表明:NMR在线检测技术可以定量测量岩芯孔隙及微裂缝的变化,为岩芯渗透率变化规律提供微观解释.