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光稀释效应对O_(2)近红外气辉星载测风的影响

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光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 160-169页

作者：李昊天李发泉李娟王后茂武魁军何微微烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071 中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院国家空间科学中心北京100190

利用星载光谱成像干涉仪测量O_(2)(a^(1)Δ^(g))日辉的多普勒频移信息是目前实现全球临近空间大气风场探测的先进技术手段,观测谱线O 19 P 18(7772.030 cm^(-1))的多普勒频移,可以在40~80 km的空间区域进行高精度和高灵敏度的风速测量,... 详细信息

利用星载光谱成像干涉仪测量O_(2)(a^(1)Δ^(g))日辉的多普勒频移信息是目前实现全球临近空间大气风场探测的先进技术手段,观测谱线O 19 P 18(7772.030 cm^(-1))的多普勒频移,可以在40~80 km的空间区域进行高精度和高灵敏度的风速测量,然而其探测精度受大气散射的具体影响尚不明晰。文章旨在分析光稀释效应对临近空间大气风场探测的影响,并对其引起的测风误差进行定量评估。首先介绍了O_(2)(a^(1)Δ^(g))光谱和大气散射的光谱特性。采用最新的HITRAN光谱参数、光化学反应速率常数以及大气模型计算得到O_(2)(a^(1)Δ^(g))不同反应机制的贡献。结合光化学反应速率计算得到O_(2)(a^(1)Δ^(g))的体辐射率,并分析了太阳天顶角对体辐射率分布的影响,基于爱因斯坦系数和谱线强度分别计算得到O_(2)(a^(1)Δ^(g))在不同温度和自吸收效应条件下的光谱辐射模型,并分析了不同地理气象因素对大气散射光谱造成的影响。其次,介绍了临边观测多普勒非对称空间外差光谱仪(DASH)的测量技术原理,描述了如何去除大气散射分量以生成纯净的气辉干涉图,基于DASH仪器概念对获取干涉图像的正演过程进行了阐释。再次,针对反演问题引入了“剥洋葱算法”,在考虑自吸收效应和光稀释效应影响的情况下,消除了目标层上方大气层贡献,解决了干涉图像中目标层信息的提取问题。最后,通过误差分析得到了大气风场探测精度廓线及其随地理气象因素影响的变化规律,证明光稀释效应的存在降低了干涉图对比度并增加了测量噪声,这对临边观测权重和有效信噪比产生了不利影响。研究表明,在45~80 km的切线高度范围内,测风精度受大气散射的影响较小,其误差约为2~3 m·s^(-1);而在45 km以下,测风精度受光稀释效应的影响随海拔高度的降低而急剧增大,且受地表反照率、气溶胶和云量等因素的影响而显著升高,在同时考虑三种因素影响的情况下,其探测下限最低约为40 km。

关键词：临近空间光稀释效应测量精度大气风场光学仪器

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双腔比对折射率法测定气体压力

物理学报 2022年第8期71卷 55-60页

作者：刘洋洋胡常乐孙羽王进胡水明中国科学技术大学化学物理系合肥230026 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

搭建了基于气体折射率方法的气体压力测量装置,测量区间为10—100 k Pa,采用双腔比对方法对装置进行了检验.通过将两个真空腔体分别控温,并且真空连通,保证了两个腔内气体压力相同.以高纯氮气(6N)为气体介质,在不同气体压力条件下,得到... 详细信息

搭建了基于气体折射率方法的气体压力测量装置,测量区间为10—100 k Pa,采用双腔比对方法对装置进行了检验.通过将两个真空腔体分别控温,并且真空连通,保证了两个腔内气体压力相同.以高纯氮气(6N)为气体介质,在不同气体压力条件下,得到了双腔对比测量的初步结果.结果显示,基于光学方法的气体折射率压力计重复度高于30×10^(-6),显著好于商用电容式薄膜压力计,说明该方法具有很大潜力.本文还分析了测量中的误差来源,并计划通过改进系统设计以提高测量精度.

关键词：计量学气体压力气体折射率双腔比对

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面向空间平台的小型化量子纠缠源

光学学报 2022年第3期42卷 129-141页

作者：周晓妍李波李宇怀曹原印娟彭承志中国科学技术大学安徽合肥230026 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海201315

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线性介质中的自发参量下转换过程,从早期的β相偏硼酸钡晶体到后来... 详细信息

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线性介质中的自发参量下转换过程,从早期的β相偏硼酸钡晶体到后来的基于准相位匹配的周期性极化晶体等,双光子极化纠缠源凭借其在亮度和品质方面的优势得到了快速发展,这为基于卫星平台的广域量子通信和量子物理的基础检验提供了可能。从基本原理出发,系统介绍了近年来面向空间平台应用的量子纠缠源的发展和最新成果,特别是以“墨子号”量子科学实验卫星为代表的星载量子纠缠源载荷;此外,对国际上近几年关于星载量子纠缠源的进展以及未来发展趋势也进行了较为全面的介绍和分析。

关键词：量子光学量子通信量子纠缠量子密钥分发量子纠缠分发量子隐形传态

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面向远程量子通信的量子中继与量子U盘

中国科学技术大学学报 2021年第9期51卷 647-653页

作者：周宗权李传锋中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院

量子不可克隆定律赋予了量子通信基于物理学原理的安全性,其代价是长程传输的光子损耗不能使用传统的中继放大器来克服.量子中继及量子U盘是实现远程量子通信的两条可行的技术路线,近期本团队在这两条路线上都取得了显著进展:首次基于... 详细信息

量子不可克隆定律赋予了量子通信基于物理学原理的安全性,其代价是长程传输的光子损耗不能使用传统的中继放大器来克服.量子中继及量子U盘是实现远程量子通信的两条可行的技术路线,近期本团队在这两条路线上都取得了显著进展:首次基于吸收型存储器建立多模式量子中继,并将相干光存储时间提升至1 h.本文介绍了量子通信、量子中继及量子U盘的基本原理,在此基础上介绍近期本团队取得的相关成果.

关键词：量子存储量子网络量子中继量子U盘

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量子信息科技的发展现状与展望

物理学报 2024年第1期73卷 1-8页

作者：潘建伟中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

20世纪初,以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命,促进了物质文明的巨大进步,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌.自20世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步,使... 详细信息

20世纪初,以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命,促进了物质文明的巨大进步,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌.自20世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步,使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进,标志着第二次量子革命的兴起.量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面,为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案,可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑.经过近30年的发展,我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃,在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位;在量子计算方面牢固占据国际第一方阵;在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平.当前,需要根据国家战略需求和国际竞争态势,做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.

关键词：量子通信量子计算量子精密测量

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磁场中HD分子振转跃迁的超精细结构

物理学报 2021年第17期70卷 1-9页

作者：唐家栋刘乾昊程存峰胡水明中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

HD分子红外跃迁的精密测量被用以检验量子电动力学、确定质子-电子质量比等.但HD分子的超精细结构分裂对于测量精度是一个很重要的限制因素,并可能是实验中测得n=2-0谱带跃迁呈特殊线型的原因之一.本文分别在耦合表象和非耦合表象下计算... 详细信息

HD分子红外跃迁的精密测量被用以检验量子电动力学、确定质子-电子质量比等.但HD分子的超精细结构分裂对于测量精度是一个很重要的限制因素,并可能是实验中测得n=2-0谱带跃迁呈特殊线型的原因之一.本文分别在耦合表象和非耦合表象下计算了HD分子振转跃迁的超精细结构,并计算了不同外加磁场下HD分子(2-0)带中R(0),P(1),R(1)线的超精细结构,模拟了10 K低温下对应的光谱结构.结果表明,HD分子跃迁结构可随磁场发生明显变化.这可能有助于分析HD分子跃迁特异线型产生的机制,进一步获得其准确的跃迁中心频率,用于基础物理学检验.

关键词： HD 超精细结构塞曼效应振转跃迁

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氦原子2~3S—2~3P精密光谱研究

物理学报 2018年第16期67卷 165-182页

作者：郑昕孙羽陈娇娇胡水明中国科学技术大学合肥微尺度国家物质科学中心合肥230026 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

氦原子是最基本的多电子原子,其精密谱是十分理想的检验多电子量子电动力学计算的平台,同时也是利用原子能级结构测定精细结构常数α的理想体系,还能获得原子核结构信息.本文结合我们团队的工作,综述基于氦原子的少体原子精密光谱研究.... 详细信息

氦原子是最基本的多电子原子,其精密谱是十分理想的检验多电子量子电动力学计算的平台,同时也是利用原子能级结构测定精细结构常数α的理想体系,还能获得原子核结构信息.本文结合我们团队的工作,综述基于氦原子的少体原子精密光谱研究.其中,主要包括氦原子2~3P_J精细结构分裂,以及2~3S—2~3P跃迁频率测定等研究,并对相关工作的前景进行了展望.

关键词：氦原子精密光谱精细结构常数量子电动力学

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基于啁啾极化晶体的中红外上转换成像研究

红外与激光工程 2024年第3期53卷 52-60页

作者：韩赵其智葛正王小骅周志远史保森中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室安徽合肥230026 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院安徽合肥230026

将物体辐射或反射的中红外波段光转换到可见光区域、再利用高性能的硅基器件探测是一种有效的目标识别手段,规避了传统半导体中红外探测器在灵敏度、深制冷和噪声等性能方面的不足。文中利用啁啾极化的非线性晶体,在强连续泵浦光作用下... 详细信息

将物体辐射或反射的中红外波段光转换到可见光区域、再利用高性能的硅基器件探测是一种有效的目标识别手段,规避了传统半导体中红外探测器在灵敏度、深制冷和噪声等性能方面的不足。文中利用啁啾极化的非线性晶体,在强连续泵浦光作用下,将中红外波段的光场信息高效、高保真地迁移到可见光域进行探测。通过建立简单的物理模型,理论上讨论了啁啾极化晶体参数对上转换成像性能的影响,并进行了数值仿真;通过实验进一步研究了啁啾晶体上转换方法在转换带宽、成像视场等成像关键参数上的优势,实验结果与理论计算值吻合较好。通过上转换方法,演示了相干光与非相干光照明条件下目标探测,实现了相干光照明下的光学边缘增强成像和非相干照明下的热辐射目标识别。这一工作对基于啁啾晶体的上转换成像系统的理解、设计和实际应用具有重要参考价值。

关键词：中红外成像上转换啁啾极化晶体带宽效率

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稳定的高亮度低速亚稳态氦原子束流

物理学报 2021年第13期70卷 66-72页

作者：陈娇娇孙羽温金录胡水明中国科学技术大学合肥微尺度国家物质科学中心合肥230026 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键.亚稳态(2^(3)S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注.本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度,并利用反馈控... 详细信息

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键.亚稳态(2^(3)S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注.本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度,并利用反馈控制稳定束流强度.实验测得,所产生的亚稳态氦原子连续束流在(100±3.6)m/s速度下,强度达5.8×10^(12) atoms/(s·sr),相对稳定度为0.021%.利用该原子束,示范了在仅0.1%的饱和光强条件下进行4He原子2^(3)S—23P跃迁的光谱探测,此时由探测光功率带来的频移低于1 kHz.

关键词：氦原子原子束精密测量量子电动力学