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53500字论文范文冷原子干涉实验的激光频率及过程自动控制

论文类型:论文范文
论文字数:53500字
论点:实验,原子,激光
论文概述:

本文为电气自控论文,主要论述博士期间主要工作是完成冷原子干涉实验过程控制和数据采集、激光精确移频、激光器长期稳频、拉曼脉冲电子锁相等技术和系统的设计、研制和应用。本.篇论

论文正文:

介绍
1.1冷原子物理及其干涉实验概述
激光冷却和俘获原子技术及其应用是近几十年来发展最快和最热门的研究领域之一。自从朱棣文(Steven Chu)、科恩-塔诺吉(Cohen-Tannoudji)和菲利普斯(Phillips)因对激光冷却和俘获原子技术的发展做出杰出贡献而获得1997年诺贝尔奖以来,这项技术和相关研究发展得更加迅速。2001年,康奈尔大学、凯特尔大学和威曼大学因基于激光冷却和俘获原子在稀薄气体中实现BEC而获得诺贝尔奖。2005年,Glauber、Hall和HSnsch因其对量子光学理论和精确光谱测量(包括光学梳)的发明做出的贡献而获得诺贝尔奖,光学梳也与激光冷却原子技术密切相关。原子的激光冷却和俘获将成为物理学理论研究和其他新技术发展的重要基础。
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1.2实验测控系统和激光频率控制技术研究综述
现代基础科学实验对实现技术、越来越精确的控制和测量方法以及越来越复杂的系统有着越来越高的要求。它们对实验测控系统有着更高的要求,对实验测控系统的开发和研究越来越重要。早期的实验测量和控制系统都是基于通用计算机和通用软件。微处理器和微控制器诞生后,实验测控系统有了新的实现平台。然而,工程师和科学家仍然感到不便。对于一个简单的测控系统来说,往往需要花费大量的时间和精力来实现,这降低了实验效率。美国NI公司自成立以来一直致力于开发和开发新的仪器控制软件工具,专门用于工业和实验室测试、测量和控制系统。人们希望工程师和科学家们将从具有新设计理念的测量和控制系统的繁重开发过程中解放出来,并将更多精力集中在实验上。Labview平台是NI公司开发的行业领先的图形编程工具。它集成了软件、各种测试和测量硬件以及通用计算机,建立了一个虚拟仪器系统。用户可以在此平台上高效地设计和实施能够满足自己需求的系统解决方案。经过20多年的发展,Labview平台已经成为实验测控领域事实上的工业标准之一。Labview已广泛应用于国内外基础科学实验和工业生产测试领域。
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2基于虚拟仪器的实验控制系统
2.1冷原子干扰实验设备
我们冷原子干涉实验平台的装置主要由几个部件组成。每个部分都有相对独立的功能,但需要在控制系统的统一指挥和控制下运行,共同完成冷原子干涉实验过程。首先,简要概述了每个部分及其功能。
2.1.1真实空系统
捕捉和冷却冷原子等一系列操作只能在非常真实的空环境中进行。空气体分子和目标原子之间的碰撞将对将要形成的冷原子基团产生不利影响。气室的真实空度直接决定激光冷却原子的实验效果。根据分子动力学理论和热力学分析,本课题冷原子干涉实验所需的气压约为10_7Pa,因此我们基于这一目标设计了一个真空系统。一般来说,真空系统分为粗真空、低真空、高真空、超高真空(
2.2实验对控制系统的要求
如前所述,在冷原子实验中,需要一个统一完整的实验控制平台来完成实验过程的操作控制和检测数据的采集与处理。在控制实验操作的同时,从光电池等各种传感器同步准确地采集检测信号,记录并初步处理实验的各项数据,同时计算机实时显示在界面上供实验者操作,并记录完整数据供后期各种数据处理使用,其中初步数据处理在计算机上进行,因此系统还需要具备一定的数据处理能力和实时显示功能。实时数据采集和显示的功能要求光电管和其他数据的连续数据采集精度为0.1毫秒,部分数据截取用于积分等初步处理,并在控制信号的循环变量下记录相应的数据以给出平均值。
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3基于DDS的激光精密频移.........23
3.1实验要求.........23
3.2声光移频的原理和常用技术.........24
3.3DDS频率发生器设计.........26
3.4DDS测试结果和应用.........32
4基于计算机的激光长期稳频.........37
4.1半导体激光器及其频率稳定性.........37
4.2稳频系统的基本原理和常用技术.........41
4.3长期稳频系统的开发.........48
4.4测试结果和讨论.........56
基于现场可编程门阵列的5激光电子锁相
5.1所有光学锁相和电子锁相
全光锁定方法不包含复杂的电路,易于操作。它可以应用于某些场合。全光锁定方法的技术基础之一是激光注入锁定技术。注入锁定的原理是一束激光作为种子光入射到自由运行的激光器中。激光器的输出频率和模式将与入射种子光完全相同。种子光的源激光器称为主激光器,注入的激光器称为从激光器。注入锁定的实现是一个模式竞争过程。实现注入锁定后,两个激光器具有高相位相干性。如果注入的种子光是频率调制的,将产生多级边带来调节从激光器的电流,并且从激光器的输出频率可以锁定在任何一级边带中。因此,主激光频率和从激光频率之间的相位在注入锁定之后保持锁定,并且存在频率差异,这可以通过调整主激光的调制频率来改变。由此获得相干激光器。在全光锁定方法中,主激光器和从激光器的相位相干性取决于主激光器的调制质量,主要是调制信号的相位噪声,从激光器锁定系统的稳定性也受其电流源和光路的影响。全光锁相方法包括声光调制方法、电光调制方法等。
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6总结与展望
博士期间,主要工作是完成冷原子干涉实验过程控制和数据采集、激光精密频移、激光长期稳频、拉曼脉冲电子锁等技术和系统的设计、开发和应用。本文详细介绍了上述技术在冷原子干涉实验中的作用以及每项技术的发展过程,包括方案选择、技术原理、具体设计和测试应用等。重点是几项创新性研究,包括长期稳频的创新性设计和基于电子锁相环的全数字电光锁相环的创新性研究。同时,高速高精度数字反馈控制系统的研究作为基础实验中的常用技术也具有重要意义。这些工作是冷原子干涉实验研究的重要基础工作和关键技术。这对提高和增强冷原子干涉实验的最终效果以及器件的小型化和实用性具有重要意义和价值,为冷原子实验的进一步顺利推进铺平了道路。
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参考文献(省略)