当前自注入锁定频梳理论研究在不同参数对于自启动效果的影响的探究尚不完善,用于解释锁定机理的工作点理论与数值仿真的结果差异较大且无法很好地解释部分实验现象.本文利用包含微腔背散射效应的LLE(Lugiato-Lefever Equation)方程,构建了自启动克尔微梳模型,使用基于分步傅里叶算法的数值仿真并结合各参数的物理内涵,探究了模型关键参数对于频梳自启动锁定态的影响;在此基础上,针对现有自注入锁定微腔频梳锁定理论不足的问题,从模型基本公式出发,修正了工作点锁定理论,提升了对自启动数值仿真中锁定态预测的准确性,提高了理论预测与数值仿真和实验结果的契合度.
Active optical clocks, a new class of optical atomic clocks, work through stimulated emission lasing, a unique mechanism that is distinct from laser absorption spectroscopy of conventional optical clocks. With coherent weak optical feedback from a Fabry-Perot resonator operating in the bad-cavity regime, active optical clocks sustain a lasing oscillation at an atomic transition frequency. They are used directly as quantum optical frequency standards with expected stability better by about two orders of magnitude than that of the best clocks. This review starts with a simplified account of historical developments and the limitations of critical techniques in optical atomic clocks. After an introduction of the basic mechanism underlying active optical clocks, we discuss the most recent experimental results for several configurations and experimental set-ups of active optical clocks. These include those based on a 2-level atomic beam and 3-level laser-cooled trapped-atom system, those based on a 4-level atom scheme, and the Faraday active optical clock. Moreover, following the successful lasing and preliminary results on a Faraday active optical frequency standard with Faraday atomic filter using thermal Cs cell, we describe an experimental scheme of a Faraday active optical clock with a Faraday atomic filter using magic-lattice-trapped Sr atoms at the 689-nm transition, and Faraday optical clocks operating in the good-cavity regime. We conclude with a comprehensive comparison of the different active optical clocks, prospects for active Faraday optical clocks, and potential applications of active optical clocks.
为解决法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪锁频方法响应速度、抗干扰能力、长期稳定性方面存在不足的问题,提出了F-P干涉仪差分锁频方案,将存在频差的双频激光耦合入F-P谐振腔,当激光频差足够小时,两光强信号曲线存在交叉,以两光强信号的差值作为被控量,在交叉点附近构建单调过零函数,作为闭环控制系统的反馈量,实现动态差分锁频控制.基于该方案,搭建了一套F-P干涉仪微位移测量装置并开展实验验证,结果表明该装置能够实现0～300 nm范围内的微位移测量,位移测量分辨力达到23 pm,验证了F-P干涉仪差分锁频方案的有效性,为推动微位移测量领域的发展提供了重要借鉴.
声学高温计存在探头温度耐受不够,测温稳定性较差,易受气流速度影响的问题.为了提高声学高温计的测温可靠性,本文提出在Virtual.Lab中建立相应的气流温度场和声传播模型,改变现有的一套声学高温计的声探头分布直径、朝向和倾斜角度等拓扑结构,分析并研究减小声压级衰减的最佳拓扑结构参数,并进行试验对比.最终发现在常温至900℃、0～0.3 Ma的气流温度场环境中,直径15 cm,声探头与水平面倾角为30°的拓扑结构综合声压级减小数值最小;直径20 cm,声探头与水平面倾角为15°的拓扑结构次之.二者均比现有的拓扑结构数据标准差减小17%以上,提高了声源信号接收的性能,进而提高声学高温计在常温至900℃、0～0.3 Ma的气流温度场环境中测温的可靠性.
针对某型单轴摆式加速度计在使用过程中出现的电压输出异常典型故障问题进行理论分析,利用故障树综合性分析方法,层层追踪分析,表达出输出电压出现异常故障内在联系,直观指出单元故障与整体故障之间的逻辑关系,切实归纳总结了工程运用中实际遇到的单轴摆式加速度计输出电压异常故障问题.而后对故障原因进行精确细致定位,提出振荡器电路中的D4二极管正极金丝断裂为此型号加速度计故障根本原因,融入电路金丝断裂机理分析法,并通过试验测试与改进措施方式验证了此故障分析的准确性,一定程度上提升了加速度计可靠性.研究成果可以为加速度计可靠性使用提供一定参考.
高温共晶点坩埚因采用石墨材料制作,结构强度较低,在复现试验后易发生破裂,造成高温共晶点的损坏.坩埚耐用性问题已成为制约高温共晶点加入下一代温标的主要障碍之一.为了解决上述问题,本文依据ANSYS对坩埚受力情况进行分析,明确了坩埚主要受力点的理论位置,之后结合多种高温共晶点的实际破裂情况,分析了不同种类共晶点坩埚破裂的原因,并有针对性的提出了两种高温共晶点坩埚改进方案:改进型Hybrid结构和导流盖结构.最后使用改进结构的坩埚灌注了新的高温共晶点/包晶点,复现试验后未出现损坏问题,初步验证了方案的有效性.
针对输入电阻的测量误差常常偏大的问题,分析了物理机理和实际原因.讨论了影响输入电阻测量不确定度的几个主要因素,包括标准电压、测量电压、标准电阻取值及误差的影响等,给出了降低输入电阻测量不确定度的主要措施,即标准电阻与输入电阻的量值越接近越好,两者应处于同一数量级,并且两个不同的激励电压差异应该尽量大.通过实例给出了输入电阻测量不确定度的评价结果,表明了该过程的正确性和切实可行性.
全站仪测距精度的校准需要在标准基线场上进行,由于野外环境不可控和气象条件波动剧烈,因此判断全站仪的测量结果的可靠程度具有重要意义.为了解决全站仪测距不确定度评定模型的非线性和输入量强相关等问题,本文首先采用了自适应蒙特卡洛法进行不确定度评定,然后与GUM的不确定度评定结果进行对比,当测距距离为1 176 m时,自适应蒙特卡洛法评定的不确定度结果为2.2 mm,GUM为2.6 mm,结果显示两种不确定度评定方法的测量结果均在合理预期之内,且自适应蒙特卡洛法评定的不确定度置信区间更窄.自适应蒙特卡洛法结合了大量数据样本和自适应优化仿真次数的优势,不仅对全站仪测距过程中的各项误差源引入的不确定度分量评估更为全面,而且在保证了全站仪测距不确定度评定结果准确的同时,相比于蒙特卡洛法节约了70%的样本数量.
对于高温高压下的湿度参数校准,尤其是温度高于100℃条件下的相对湿度或水汽含量校准、露点温度高于100℃的露点温度校准,目前我国仍缺乏有效的方法及装置.为解决此问题,研制了一套基于单温单压法原理的高压水分发生器.该发生器由饱和系统、气路系统、恒温系统与控制系统组成,其中饱和系统完成设定温度与压力下的水汽饱和;气路系统与恒温系统实现不同压力与温度条件下的气体传输;控制系统实现整体温度、压力精准控制,最终可产生体积分数为0.5%～15%(对应露点温度范围为-2.8～110℃)的标准湿气,绝对压力范围为0.1～1 MPa,露点温度扩展不确定度为0.50～0.52℃(k = 2).该高压水分发生器具有稳定时间短、准确度高、操作方便、实用性强等优点,可作为高温高压条件下的校准湿度源,具有重要技术应用价值.
为减小高温低湿环境下温度漂移对传感器测量结果的影响,以基频4 MHz的石英晶体为基片,使用滴注法将氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)沉积在基片上,研制出一种基于石英晶体微天平(Quartz Crystal Mi-crobalance,QCM)的湿度传感器.AT切石英晶片以及氧化石墨烯材料在高温环境中的温度漂移现象显著,导致传感器的频率输出发生漂移,因此使用深度学习方法对温度漂移进行修正,在不同的绝对湿度条件下,测试了反向传播(Back Propagation,BP)神经网络修正模型对QCM湿度传感器的适应特性.实验结果表明,通过深度学习方法得到的修正模型能够有效提高QCM湿度传感器的灵敏度、稳定性以及响应速度,对于研究温湿度耦合条件下的QCM湿度传感器的频率修正技术具有重要意义.
针对国内中红外激光光源光谱范围小、脉冲宽度宽等问题,开展了基于差频(DFG)产生的中红外飞秒激光技术研究.差频产生的中红外飞秒激光具有光谱范围宽、脉宽窄等优势.研究了差频技术中选用不同的非线性晶体对产生的中红外激光的影响,在此基础上搭建了一套基于差频技术的、利用PPLN晶体产生的中红外激光的产生系统,利用光栅对压缩脉宽,实现飞秒激光输出.最终获得了波长范围在2.9～4.7 μm的中红外飞秒激光,在中心波长3.2 μm处获得了最高10.46 mW的输出光平均功率.研究结果为中红外激光光谱测量技术在大气监测、燃烧场组分探测等的应用提供了参考.
为了实现高温环境下温度的准确测量,利用飞秒激光制备的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings,FBG)杰出的热稳定性,提出一种基于飞秒光纤光栅的高温测量方法.利用光纤热光系数、热膨胀系数与温度之间的依赖关系,建立了FBG中心波长-温度模型;由于该模型不存在解析解,利用单点中心波长-温度特解和四次多项式拟合温度-中心波长工作曲线.基于该工作曲线和预退火(1 000℃,20 h)FBG在常温至900℃范围内进行温度测量实验,结果表明最大测量偏差不超过±2℃.本方法仅需标定单点中心波长-温度即可实现宽温度范围内的温度准确测量,简洁有效,在航空航天、核电冶金等领域中具有重要的研究和应用价值.
针对高精度谐振式露点测量系统中电路故障诊断问题,提出了一种基于改进的麻雀搜索算法(Im-proved Sparrow Search Algorithm,ISSA)优化智能分类器参数的电路故障诊断模型,采用测前仿真故障诊断方法中的智能诊断方法,选择适用于小样本、非线性问题的支持向量机(Support Vector Machine,SVM)作为智能分类器,针对麻雀搜索算法中收敛速度慢、易陷入局部最优等问题进行改进,并将改进后的优化算法用于SVM参数寻优,构建ISSA-SVM故障诊断模型用于谐振电路故障诊断.实验结果显示,ISSA-SVM模型在建立的电路上能够达到88.9%的故障诊断率,可靠性较强,能够作为高精度谐振式露点传感器电路的故障诊断方法.
仿真模拟试验器校准频闪灯传统校准方法需要操作者目视判断,试验结果的重复性较差,且存在评定所得不确定度较大的问题.为此,研究了航空专用测试设备直升机旋翼锥体频闪灯的一种实验室校准方法.该方法采用脉冲频率法以光电转换形式建立校准装置,对频闪灯的闪烁频率等技术参数进行校准.实验结果表明:在准确度大幅提高的同时,不确定度更小.与传统方法相较而言,本方法操作简单快捷,通用的标准设备即可满足校准要求,量值溯源更可靠、更容易,同时也符合计量相关法规的要求,具有一定的推广及应用价值.
飞机机翼通常采用工字梁作为支撑结构,然而由于工字梁的几何参数改变,理论计算会受到影响,梁理论的选择会直接影响计算结果.目前,现有的工字梁挠度计算主要基于欧拉-伯努利梁理论,未充分考虑梁弯曲时存在的剪切变形.因此,本文提出了一种基于铁木辛柯梁理论的考虑剪切作用的工字梁计算方法,用于针对受集中力影响的工字梁进行计算.通过表征剪切变形对梁变形的影响,获得了剪切变形对梁的作用规律,并解释了剪切变形在梁中的变形机制.研究表明,当工字悬臂梁靠近固定端一定范围内以及梁的跨高比小于5时,计算时应考虑剪切变形的影响.该计算方法得出的内力计算理论结果与仿真及电测法结果基本一致,可以应用于实际工程计算中.
为了研究AT切型石英晶体谐振器在不同温度环境下的振动状态,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 6.0分析了石英晶体在不同温度下沿x方向振动位移分布情况,直观地观察了寄生模态的振动位移,计算了不同温度下电极区能量占比以及品质因数,并通过实验测量了不同温度下AT切型石英晶体品质因数及温频效应.仿真结果表明,随温度变化,AT切型石英晶体表面始终存在典型的能陷效应,未加剧模态间的耦合问题.实验结果表明,AT切型石英晶体频率随温度变化趋势与理论一致,实验数据与仿真计算的品质因数随温度改变均无明显变化.研究成果证明AT切型石英晶体具有良好的热稳定性,可以作为石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)传感器在高温环境下的敏感元件,对高温环境下敏感器件的选择具有指导意义.
为解决高温环境下分子吸收光谱精确计算的时间复杂性,满足宽光谱测量领域对理论吸收光谱计算的需求,本研究利用Python语言以逐线计算为基础,结合线型函数的简化、线翼截止准则和谱线数据库的优化,建立了基于高温分子吸收参数数据库(High-Temperature molecular spectroscopic absorption parameters data-base,HITEMP)的分子吸收光谱精确快速计算模型.以Hartmann-Tran线型函数作为吸收光谱标准线型编写部分相关二次速度依赖硬碰撞函数(partially-Correlated quadratic-Speed-Dependent Hard-Collision Profile,pCqSDHC),结合复概率函数(Complex Probability Function,CPF)简化模型实现了线型函数的精确快速计算,相较于理论计算模型计算速度提高了20倍.按照光谱计算残差在10-5量级确定了固定波数截断结合谱线半宽等倍数截断的线翼截止准则.以阈值线强度10-25 cm-1/(mol∙cm-2)为标准筛选了每100 K温度梯度时的光谱数据,整合得到优化数据库.在6 500～8 000 cm-1 范围内对水分子的吸收光谱进行计算,并与"SpectraPlot.com"分子气体集成光谱建模网站仿真结果对比,逐线模型的计算误差在10-7量级,优化模型的计算误差在10-5量级,计算速度平均提升25倍.该模型满足吸收光谱测量中对于理论吸收光谱的高效准确计算,为复杂环境中基于宽调谐、超连续激光吸收光谱的测量研究提供了理论模型基础.
汞离子微波频标利用汞灯进行抽运,可实现小型化,同时具备体积小、指标高的优势,未来可在卫星导航、深空探测和守时中得到广泛应用.为了提高抽运效率及降低噪底,需要进行汞灯光学设计,使抽运光通过四极阱中心与囚禁离子充分作用的同时减少与真空腔及四极杆的反射.首先提出遮挡光源法和非等比例放大法两种光学设计方法.然后介绍了两种设计方法的具体设计过程和设计结果,并比较了两种光学设计方法汞灯的能量利用率.最后利用非等比例放大法进行光路优化设计,并完成了物理系统信号探测实验.实验结果表明:采用该光学设计方案,汞离子光微波双共振跃迁信号幅度提高了20%以上.
绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用,但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般,可使用的范围有限.研制了一套轨道移动绝对重力测量系统,实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程,开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量,测量结果可靠.首先,在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440 μGal?Hz-1/2,测量300 s的误差小于30 μGal.其次,在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下,绝对重力测量不确定度优于15 μGal,与相对重力仪(LG-1)的测量偏差优于40 μGal.最后,轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9 μGal?Hz-1/2.所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量,为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案.
简要回顾了近几年回音壁模式光学微腔在传感研究中的应用,其涉及领域包括位移传感、力传感、加速度传感、质量传感、纳米粒子传感、温度传感、角速度传感和奇异点增强传感.对回音壁模式光学微腔在不同领域的传感机理进行了简单介绍,并且对重要的实验工作进行了介绍,指出了提高传感精度的重要因素,为之后的理论和实验研究提供了一定的参考.
