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基于原子滤光器的PIV系统的研究

基于原子滤光器的PIV系统的研究

作者：肖广益湖南大学

学位级别：硕士

尾焰光谱检测技术日益成为固体飞行器发动机健康检测方向的热门研究课题,已经在航空航天领域吸引了广泛的关注。利用原子滤光器进行尾焰光谱检测不需要接触发动机任何部件但能获得有效数据,是一种先进的非接触式健康检测手段;利用粒子... 详细信息

尾焰光谱检测技术日益成为固体飞行器发动机健康检测方向的热门研究课题,已经在航空航天领域吸引了广泛的关注。利用原子滤光器进行尾焰光谱检测不需要接触发动机任何部件但能获得有效数据,是一种先进的非接触式健康检测手段;利用粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV)进行尾焰流场分析,解决了接触式测量方法会干扰尾焰流场和传统非接触型测量方式中需添加示踪粒子的问题。本文创新性地将二者结合,对发动机试验的缺陷检测与故障诊断有着重要意义。本文分别就原子滤光器设计、PIV系统选用,以及微小粒子目标的检测与跟踪算法进行了研究。考虑到不同原子燃烧时在光谱上的差异,对发动机尾焰燃烧成分进行了分析,发现尾焰中存在Na原子特征谱线,本文提出了一种利用基于原子滤光器的PIV系统测量固体飞行器发动机尾焰的方案,通过原子滤光器将尾焰中的光传递给PIV系统,并利用PIV系统光电转换、高速采集的能力,对尾焰的流场进行拍摄采集。最终,设计了一套完整的基于原子滤光器的PIV系统,实现了数据的采集,并利用该系统进行了测试实验与固体飞行器发动机地面搭载试验,实验结果满足了系统的设计指标,验证了系统的可行性。基于目标质心算法、互相关算法等方法提出了一种基于图像灰度值的互相关算法,实现了每帧图像中存在大量微小粒子目标的识别与跟踪。选取第4400帧图片中灰度值为167的目标粒子,完成了目标从4400帧开始到4567帧共计168帧的图像的检测与跟踪。该算法具有对目标识别效率高,追踪效果良好等的优点,且算法运行速度较快。应用设计的系统进行多次外场实验,并对系统采集的多次外场实验结果进行了计算与分析,最终,系统实现稳定地对各类固体飞行器发动机尾焰的采集且效果良好,验证了整个系统的稳定性与正常工作的能力,可为固体飞行器发动机的故障检测与健康诊断提供新的手段和参考。

关键词：光谱检测技术原子滤光器 PIV 互相关算法目标识别与跟踪

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基于冷原子的超窄带宽法拉第原子滤光器研究

基于冷原子的超窄带宽法拉第原子滤光器研究

作者：关笑蕾北京邮电大学

学位级别：硕士

原子滤光器具有窄带宽和优良的带外抑制等优势,在理论和实验方面已经得到了广泛的研究。近十几年来,有关超窄带宽原子滤光器的研究一直在持续推进中,但是受限于热原子多普勒展宽的影响,现有技术很难将原子滤光器的透射带宽压窄到自然线... 详细信息

原子滤光器具有窄带宽和优良的带外抑制等优势,在理论和实验方面已经得到了广泛的研究。近十几年来,有关超窄带宽原子滤光器的研究一直在持续推进中,但是受限于热原子多普勒展宽的影响,现有技术很难将原子滤光器的透射带宽压窄到自然线宽的量级。冷原子技术可以直接降低原子运动速度,从而有效抑制多普勒效应和其他与原子速度有关的因素对线宽的影响。本工作即以此为出发点,创新性地将冷原子引入法拉第原子滤光器中,进而实现一种透射带宽接近原子跃迁自然线宽的超窄带宽法拉第原子滤光器。进一步地,为了解决与光相互作用的原子数目较少导致冷原子滤光器峰值透射率较低的问题,本工作引入偏振光极化原子的双折射方案,代替法拉第型的磁致双折射。该方案在保证原子滤光器超窄透射带宽的同时,利用两个圆偏振光分量之间较大的折射率差异,实现了冷原子滤光器峰值透射率量级地提升。具体地,在压窄原子滤光器透射带宽方面,本工作利用激光冷却技术抑制多普勒效应的影响,搭建了冷原子磁光阱系统,在铷原子的第一和第二激发态(52S1/2→52P3/2和52S1/2→62P3/2)跃迁谱线分别实现了 780 nm和420 nm两种透射带宽接近原子跃迁自然线宽的超窄带宽法拉第原子滤光器。详细内容如下:1)780 nm超窄带宽冷原子法拉第滤光器。以磁光阱俘获的87Rb冷原子团作为和探测激光相互作用的工作物质,本工作进行了冷原子法拉第滤光器的搭建以及基于调制转移谱稳频的780 nm探测激光系统的搭建;对磁光阱的原子俘获和法拉第旋光效应的探测之间设置了时序关系,并针对磁光阱的梯度磁场关闭过慢,会影响超窄带宽冷原子滤光器透射率的问题,进行了μs量级快速关断的磁场电流源快速开关电路设计,以满足磁场快速关断的需求;对冷原子法拉第滤光器的透射信号进行测量,最终实现了透射带宽为7.1(8)MHz、峰值透射率为2.6%的780 nm超窄带宽冷原子法拉第滤光器,并对可能影响其透射率的因素进行了测量与分析。2)420 nm超窄带宽冷原子法拉第滤光器。因为87Rb原子420 nm第二激发态跃迁具有更窄的自然线宽(1.45MHz),可以实现更窄透射带宽的原子滤光器。因此本工作又搭建了基于调制转移谱稳频的420 nm探测激光系统,利用其对冷原子法拉第滤光器的透射信号进行测量,实现了透射带宽为2.7(2)MHz、峰值透射率为3.2%的420 nm超窄带宽冷原子法拉第滤光器,其透射带宽为目前已知最窄。在提高超窄带宽冷原子滤光器透射率方面,本工作基于感生二向色性的旋光原理,利用两个圆偏振光分量之间较大的折射率差异实现了冷原子滤光器透射率14倍地提升。详细内容如下:将激光冷却技术与偏振光抽运技术相结合,利用一束σ+圆偏振泵浦激光使原子在基态塞曼子能级上产生远离玻尔兹曼分布的单向原子布居。如此单向布居的原子使线偏振探测激光中的两个圆偏振光分量具有较大的折射率差异,由此形成滤光器较大角度、较高透射率的旋光。经过实验验证,本文实现了一个工作在87Rb原子780nm52S1/2(F=2)至52P3/2(F'=2)跃迁,透射带宽为6.6(4)MHz、峰值透射率为15.6%的超窄带宽冷原子滤光器。该方法从提高折射率差异的角度有效地解决了与光相互作用的原子数目减少对冷原子滤光器透射率存在影响的问题,相比于在相同跃迁能级下利用Faraday磁光效应实现的超窄带宽冷原子滤光器(峰值透射率:1.14%),其峰值透射率提升了 14倍。综上所述,本工作成功地将原子滤光器的透射带宽压窄到了自然线宽的量级,且显著提高了超窄带宽冷原子滤光器的透射率。未来,如此窄带宽的原子滤光器可以应用到自稳频激光和主动光钟等领域中,其还可以将传统热原子滤光器的研究拓展到冷原子领域,为后续原子滤光器的构建提供更多的可能性,并给众多领域带来极具潜力的发展。

关键词：原子滤光器超窄带宽激光冷却技术偏振光抽运

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钾原子滤光器在太阳高分辨率观测中的应用

中国激光 2012年第8期39卷 175-181页

作者：张俊杨勇程学武杨尚斌龚威武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院研究生院北京100049 中国科学院国家天文台北京100012

太阳高分辨率速度场观测系统可用于探测日震的活动信息,对太阳内部结构的研究具有重要意义。探讨了双峰钾原子滤光器在太阳光球层速度场观测中的应用方法,即利用法拉第反常色散原子滤光器(FADOF)的高光谱分辨率和光谱稳定性等优点,采用... 详细信息

太阳高分辨率速度场观测系统可用于探测日震的活动信息,对太阳内部结构的研究具有重要意义。探讨了双峰钾原子滤光器在太阳光球层速度场观测中的应用方法,即利用法拉第反常色散原子滤光器(FADOF)的高光谱分辨率和光谱稳定性等优点,采用双峰钾原子滤光器分辨来自太阳光球层钾线(769.898nm)光谱的多普勒频移,并提出用F-P标准具对透过原子滤光器的双峰信号进行光学选支,从而获得太阳光球层多普勒速度场图像。研制出双透射峰钾原子滤光器原理样机,经测试其谱型与理论谱型符合良好,满足太阳速度场高分辨率观测的需要。将此技术方案扩展到太阳的其他谱线,可实现对太阳大气多层次速度场的同时观测。

关键词：大气光学原子滤光器多普勒测速太阳速度场日震

双透射峰钠原子滤光器在太阳速度场观测中的应用

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光学学报 2012年第5期32卷 209-214页

作者：邹照伟程学武杨勇龚威武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室湖北武汉430071

法拉第反常色散原子滤光器作为一种精密光谱仪器,具有光谱分辨力高、光谱稳定性好等优点。探讨了利用双透射峰钠原子滤光器进行高分辨力太阳多普勒观测的方法,在此基础之上开发了原子滤光器透射谱型理论模拟软件,研制出双透射峰钠原子... 详细信息

法拉第反常色散原子滤光器作为一种精密光谱仪器,具有光谱分辨力高、光谱稳定性好等优点。探讨了利用双透射峰钠原子滤光器进行高分辨力太阳多普勒观测的方法,在此基础之上开发了原子滤光器透射谱型理论模拟软件,研制出双透射峰钠原子滤光器样机并对其进行了透射谱型测试。测试结果表明,理论模拟的透射谱型与实验测试结果符合良好,在双峰间距、透射带宽等参数方面基本满足太阳多普勒观测的要求,为太阳观测提供另一种有效手段。

关键词：遥感日震学太阳速度场观测多普勒效应原子滤光器双峰透射

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新型原子滤光器

物理 1995年第6期24卷 335-339页

作者：孙献平汪盛烈曾锡之中国科学院武汉物理研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室

原子滤光器是基于原子的吸收、发射和内部能量转换的物理过程的一种量子滤光器件。与干涉滤光片（包括薄膜的、偏振的等）和双折射滤光片相比，原子滤光器具有大的接收角、更窄的带宽和更高的滤光效率等特点。文章简要介绍了近年来新型... 详细信息

原子滤光器是基于原子的吸收、发射和内部能量转换的物理过程的一种量子滤光器件。与干涉滤光片（包括薄膜的、偏振的等）和双折射滤光片相比，原子滤光器具有大的接收角、更窄的带宽和更高的滤光效率等特点。文章简要介绍了近年来新型原子滤光器研究的新进展和它们的应用，以及一些原子滤光方案和物理特性的研究。

关键词：原子滤光器电离检测器反常色散滤光器

以间接泵浦为基础的728 nm铯原子滤光器

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激光杂志 2021年第2期42卷 33-36页

作者：陶智明周梓发叶表良曾建华郑鹤鹏郑安民桂林医学院基础医学院桂林541001 上饶师范学院物电学院上饶334001

采用间接泵浦方法研制了铯原子728 nm激发态原子滤光器。当磁场为4 G的时候,该原子滤光器的透射率为0.304%,带宽为30.9 MHz。与用直接泵浦方法实现的原子滤光器相比,用间接泵浦方法实现的原子滤光器能够达到同样的效果。该原子滤光器不... 详细信息

采用间接泵浦方法研制了铯原子728 nm激发态原子滤光器。当磁场为4 G的时候,该原子滤光器的透射率为0.304%,带宽为30.9 MHz。与用直接泵浦方法实现的原子滤光器相比,用间接泵浦方法实现的原子滤光器能够达到同样的效果。该原子滤光器不仅能用在激光稳频上,将激光器的频率稳定在原子跃迁线上,还可以用在四能级主动光钟上。该方法还适用于不同波长、不同原子的激发态原子滤光器。

关键词：原子滤光器半导体激光器法拉第效应