金刚石集群氮空位(NV)色心自旋态调控设计与实现

金刚石氮空位(nitrogen vacancy,NV)中心的天然能级系统可以在激光泵浦和微波辐射下进行初始化、量子操控和光学读取。实验中需外加特定激光泵浦和微波辐射来实现对NV色心自旋态的操控,并通过荧光数布居变化来表征自旋态。本文基于LabVIEW软件,设计开发了集群NV色心自旋态调控与读出软件系统。结果显示,本系统可以实现对激光和微波脉冲序列的精确编码,编码精度可达3ns,并初步得到了室温下集群NV色心的电子自旋共振谱线,为下一步集群NV色心自旋态调控研究的自动化、集成化奠定了基础。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

非线性传输线高功率实验

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载（或组合振子辐射天线）组成。由100 kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35 kV,脉冲半宽60 ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31 kV、中心频率308 MHz、3 dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380 MHz、3 dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

基于磁集聚效应的系综NV色心磁检测增强

高灵敏色心量子自旋磁检测是弱磁、极弱磁检测及成像应用的关键.本文通过搭建结合磁力线集聚结构(MFC)的系综金刚石氮空位(NV)色心的宽视场磁分布成像系统,对系综金刚石NV色心磁检测增强进行了系统研究.首先基于磁力线集聚效应仿真设计并制造了成对的T型薄片状MFC结构,利用连续波光探测磁共振(ODMR)宽视场磁成像技术对M...     

基于平行板谐振器的量子微波电场测量技术

基于Rydberg原子的量子微波测量技术具有自校准、可溯源、高灵敏度的显著优点,针对如何提高量子微波测量灵敏度的问题,本文从经典电磁理论出发,提出一种终端短路的1/4波长平行板传输线谐振器电场局域增强结构.运用场路结合的分析方法以及等效电路方法,求解平行板传输线谐振器结构端口的反射系数为0.91;利用场的分析方法推导出端口电场强度随时间变化的解析表达式,进行时域分析,绘制了平行板传输线谐振器端口的电场强度瞬态响应曲线,得出平行板传输线谐振器建立稳态的时间为10 ns.研究表明,随着平行板间距的减小,电场强度增强倍数迅速升高,功率密度压缩能力大幅提升.利用|69D_5/2>实验验证了该结构在2.1 GHz可实现25 dB的电场强度增强.本文的研究工作有望在原子测量能力基础上进一步提高测量灵敏度,推动量子微波测量技术的实用化发展.     

级间耦合传输线脉冲变压器

级间有耦合传输线的脉冲变压器除第一级传输线外所有传输线均绕制在同一磁芯上。利用电路等效法对该变压器进行了理论分析,结果表明:相比采用其他绕线结构的传输线变压器,该传输线变压器的顶降更低,而且仅需要一块磁芯。根据该设计方法,研制了一台四级传输线脉冲变压器,变压器的输入阻抗为4.2Ω,输出阻抗为67.7Ω。利用该变压器对脉冲形成网络(PFN)形成的脉冲进行电压变换,变压器匹配负载上输出电压脉冲脉宽为120 ns,前沿为20 ns。该脉冲幅值是PFN对4.2Ω负载直接放电形成脉冲幅值的4倍,且两者波形基本一致。     

等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明:利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明：利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

同轴型变阻抗线传输特性的电磁场与电路仿真比较

利用CST微波工作室软件对新一代Z箍缩驱动装置中变阻抗传输线部分进行了三维电磁场仿真,建立了同轴型指数线模型,在外导体内半径保持100mm不变、输入端特性阻抗0.203Ω、输出端特性阻抗2.16Ω、输入角频率14×106 rad/s的半正弦脉冲TEM波的情况下,发现传输过程中会产生少量非TEM模,线的尺寸变化越剧烈,产生的非TEM模能量越多。在传输线足够长的情况下,电磁场仿真得到的电压传输效率与电路仿真结果相差不到1%,因此可以用电路仿真结果代替电磁场仿真。     

太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题,设计并提出了一种输入阻抗为20Ω、输出阻抗为50Ω的渐变微带线结构,研究了该结构的准TEM模电场分布,并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中,将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试,以验证渐变微带线传输射频信号效果,成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率,其线宽为3.7 kHz,信噪比达到60 dB,在注入电流为700～900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号,测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明,所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果,能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。     

一种在光抽运实验中检测射频共振的新方法

利用微波-射频多量子跃迁对单量子微波跃迁谱线强度的影响,我们在实验上找到了一种在光抽运实验中观察射频共振的灵敏的新方法。 关键词：     

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。     

里德伯原子的射频脉冲响应特性

里德伯原子是一种高主量子数原子,利用其量子相干效应可以实现对空间中射频电场的测量.本文对基于里德伯原子的射频接收系统在不同脉宽和强度下的射频脉冲响应能力进行了研究.实验采用波长为852 nm和510 nm的激光实现Cs原子的激发,并利用射频信号源发射不同参数的脉冲信号照射里德伯原子,从原子气室中透射的探测光信号输入至光电探测器,经过光电转换得到的电信号由示波器进行记录.此外,利用不同延迟时间的脉冲信号进行模拟测距,初步证明基于里德伯原子的射频接收系统具备脉冲测距功能.     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

单线串联形成三脉冲实验研究

介绍了单传输线型高压脉冲形成线的基本原理,将三套单线通过高性能开关串联即可形成所需的三脉冲。实验中,采用一台300 kV Marx发生器作为三套单线系统的高压源,形成线与传输线均为同轴电缆,开关为同轴场畸变型开关,负载为硫酸铜水电阻。得到的三脉冲前沿约20 ns,间隔约为300 ns,脉宽约120 ns。由于Marx发生器输出信号的触发时刻不同,导致脉冲幅度有较大的差异,对此提出改善实验结果的设想：加大Marx对形成线的充电电感以减小三脉冲基线的偏移;设计并试验新的V/N型开关,提高开关的加工精度;各脉冲形成线配有各自独立的Marx充电系统以使各脉冲单独可调。     

单线串联形成三脉冲实验研究

 介绍了单传输线型高压脉冲形成线的基本原理,将三套单线通过高性能开关串联即可形成所需的三脉冲。实验中,采用一台300 kV Marx发生器作为三套单线系统的高压源,形成线与传输线均为同轴电缆,开关为同轴场畸变型开关,负载为硫酸铜水电阻。得到的三脉冲前沿约20 ns,间隔约为300 ns,脉宽约120 ns。由于Marx发生器输出信号的触发时刻不同,导致脉冲幅度有较大的差异,对此提出改善实验结果的设想：加大Marx对形成线的充电电感以减小三脉冲基线的偏移;设计并试验新的V/N型开关,提高开关的加工精度;各脉冲形成线配有各自独立的Marx充电系统以使各脉冲单独可调。     

双螺线圈射频共振结构增强硅空位自旋传感灵敏度方法

针对硅空位自旋磁共振信号射频场非均匀展宽问题,提出并设计了一种双螺线圈射频共振结构,利用双螺线圈平行对称特性,构建射频场均匀区,非均匀性小于0.9%,相比单根直线性结构,均匀性提高了56.889倍.同时,利用射频信号近距离互感耦合共振特性,实现了射频场的增强,相比单线圈结构增强了1.587倍,等效的自旋传感灵敏度提高了4.833倍.实验中搭建基于SiC硅色心自旋磁共振效应的光探测磁共振传感测量系统,通过对比不同类型的射频天线,测试得到基于双螺线圈射频共振天线结构的硅空位色心自旋磁共振信号对比度提高了6倍,通过调制解调信息解算方法得到传感器的灵敏度提高了4.833倍,传感器噪声降低了8倍,提高了硅空位自旋传感测量灵敏度,结合SiC晶圆芯片制造技术,为高精度、芯片级自旋量子传感器件的制造提供了技术支撑.     

固态单自旋量子控制研究进展

在量子物理领域的研究中,量子控制是必不可少的.精确高效的量子控制,是利用量子系统进行实验研究的前提,也是量子计算、量子传感等应用的基础.金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长,可用光学方法实现初始化和读出,通过微波射频场能实现普适的量子控制,是研究量子物理的优秀实验平台.本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果,主要讨论了1)金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理, 2)氮-空位色心的退相干机制, 3)单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展.     

基于腔电光力系统增强罗兰C台间同步精度问题研究

罗兰C系统受到原子钟工艺和无线电信号测量精度限制,难以实现台站间高精度时间同步。基于量子纠缠微波信号和腔电光力系统,通过将微波量子信号转换到光频域进行符合探测,可以得到更精准的罗兰C主副台的同步时差信息。经过理论分析和仿真,得出腔中微波和光转换的条件,以及腔内耗散对保真度的影响。通过控制腔的驱动场参数可实现最优相位灵敏度检测,精度水平能达到皮秒量级。相较于原有同步方式,无需使用昂贵原子时钟,无需测量脉冲到达时间,即能有效提高时间同步精度。     

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。