强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量
强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量
【摘要】：腔量子电动力学(腔QED)是研究受限空间中物质与电磁场相互作用的学科,其基本模型即单个原子和腔场相互作用的J-C模型。腔量子电动力学系统是在实验室环境下获得单个原子与场强耦合的重要量子系统。自从E.M.Purcell在上个世纪40年代发现原子自发辐射受到环境影响的效应到现在,腔QED的发展得益于原子分子操控能力的提高并极大地推动了原子分子物理和量子光学的发展。腔QED 实验上的进展解释和验证了大量的量子力学基本问题。当原子和腔场的相互作用强度达到强耦合条件时,单个原子进入腔场就可以在很大程度上影响腔场的分布,因此利用强耦合腔QED系统可以实现对单原子的灵敏探测。此外强耦合腔QED系统被用于产生和操控多种量子资源,比如确定性的可控单光子源,它是实现量子信息和量子通讯的重要资源。通过强耦合腔QED系统可以实现原子内态的控制,例如通过真空受激绝热拉曼过程我们可以利用腔QED完成诸如光子-原子纠缠以及原子-原子纠缠态等。原子-光子的强耦合也使得量子态在原子和光子之间的相互映射得以实现,从而为构建量子网络提供了一个理想的试验场。多种量子态的产生和控制构成了量子信息交换和量子网络的基础,这些量子资源和量子操控手段正在被应用到量子信息、精密测量和量子计量等方面。本文主要围绕单个中性原子与腔的强耦合的实现以及利用该系统对原子的测量和控制展开的。主要工作如下：1.实现了单个中性铯原子与高品质光学微腔的强耦合。我们建立了一套
腔QED实验系统,包括高精细度光学微腔系统、真空和冷原子系统、频率链系统、探测系统和时序控制系统。高精细度光学微腔被置于真空系统中。频率链系统用于精确控制微腔腔长。在微腔上方利用磁光阱俘获冷原子团。冷原子在释放后自由下落穿越腔模。原子探测系统用来探测微腔的透射信号。该系统的参数为(g0,κ,γ)/2π=(23.9,2.6,2.6)MHz；临界光子数和临界原子数分别为：m0=0.006,N0=0.024。2.利用强耦合腔QED系统实现了单个原子轨道的确定和精密测量。原子进入微腔的高阶TEM1o横模并与之强耦合。TEM1o模的节线与原子轨道并非垂直和平行,这帮助我们消除了原子穿越腔模的轨道简并从而确定了唯一的单原子轨道。在离轴方向原子位置的精度达到100nm,垂直方向精度为 5.6μm。该工作以RapidCommunications形式发表在Phys.Rev.A83,031804(R)(2011),并被Physics以”FreeFalling”为题作为亮点工作报道。3.研究了蓝光导致原子解吸附效应(LIAD)对磁光阱中铯原子的装载过程和原子数目的影响。实现了利用LED蓝光控制原子装载,并在理论上研究了LIAD的物理机制,对LIAD控制原子释放和对真空的影响作了解释,理论与实验相符。这部分工作在Phys.Rev.A80,053420(2009)和物理学报59,6423(2010)上发表。4.将强耦合腔QED的高精细度光学微腔作为原子探测器,完成了对单个铯原子的灵敏探测。实验中关闭微腔上方的磁光阱后冷原子由于重力自由下落进入腔模。原子进入腔模时腔透射发生明显变化从而达到探测原子的目的。具体工作内容可见Chin.Phys.Lett.28,044203(2011)。实验中我们成功实现了原子与腔模的
强耦合,得到单个原子与腔模耦合的平均时间为110μs。5.利用强耦合的腔QED系统实现了一种新的探测磁光阱中冷原子团温度的方法。在实验中由于微腔可以对单个原子灵敏探测,故微腔充当了一个单原子的点探测器。微腔上方磁光阱关闭后原子自由下落进入腔模。我们根据统计原子达到腔模时刻的分布结果并利用理论模型拟合得到冷原子团下落前的初始温度。这部分工作在J.Opt.Soc.Am.B28,667(2011)上发表。6.讨论了利用现有实验系统在腔内俘获单个原子和产生确定性单光子源的实验方案并介绍了相关的实验进展。【关键词】：腔量子电动力学单原子强耦合原子温度原子轨道
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：O431.2
【目录】：摘要10-12ABSTRACT12-16第一章绪论16-281.1引言16-171.2强耦合腔量子电动力学研究进展17-231.2.1从弱耦合到强耦合17-191.2.2从多原子到单个原子19-211.2.3其它腔量子电动力学系统21-231.3强耦合腔量子电动力学的应用和意义23-261.3.1基本物理问题24-251.3.2量子信息251.3.3精密测量,量子计量25-261.4山西大学腔量子电动力学的研究进展和本文结构安排26-28第二章腔量子电
动力学基本理论:腔与原子相互作用28-362.1引言282.2无耗散系统28-302.3耗散系统30-342.4小节34-36第三章实验系统36-703.1引言36-373.2真空系统及磁光阱冷原子系统37-563.2.1真空系统37-383.2.2冷原子磁光阱系统38-413.2.3光致原子解吸附(LIAD)的应用41-563.3高精细度光学微腔56-583.4频率链系统58-663.4.1频率链系统的作用和意义593.4.2频率链系统介绍59-613.4.3微腔腔长控制的实现61-663.5探测系统66-673.6时序控制系统67-693.7小节69-70第四章强耦合腔QED的实现及腔内单原子的灵敏探测70-804.1引言704.2基本理论及其模拟结果70-734.3单原子穿越微腔信号探测73-784.3.1共振条件下的结果74-754.3.2失谐条件下的结果75-774.3.3真空拉比分裂的测量77-784.4单原子穿越微腔信号统计结果78-794.5小节79-80第五章基于单原子计数的冷原子温度测量80-885.1引言80-815.2理论分析81-845.3实验结果和分析84-865.4小节86-88第六章单原子质心轨道的精密测量88-1046.1引言88-896.2理论分析89-946.2.1非倾斜TEM_(10)模90-926.2.2倾斜TEM_(10)模92-946.3实验过程94-956.3.1微腔高阶横模选定94-956.3.2TEM_(10)模的锁定956.4实验结果95-996.4.1原子质心的轨道95-966.4.2原子轨道测量精度分析96-996.5由原子的速度确定冷原子团的温度99-1016.5.1实验结果及分析99-1006.5.2冷原子团的温度100-1016.6采用更高阶横模测量单原子运动轨道的分析101-1036.7小节103-104第七章腔内单原子的操控和单光子源的产生104-1107.1引言1047.2腔内FORT中单原子的控制104-1067.3确定性单光子源的实验方案106-1087.4小
车辆-轨道耦合动力学理论在轨道
车辆－轨道耦合动力学理论在轨道下沉变形 研究中的应用1 高建敏，翟婉明 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都（610031） E-mail：jianmingao04@https://www.360docs.net/doc/ce18834783.html, 摘要：提出了将车辆－轨道耦合动力学理论引入轨道下沉变形研究的分析方法。通过将车辆－轨道垂向耦合振动模型和轨道累积下沉计算模型相结合，以轨道结构动力学响应参量和轨面高低不平顺状态变化等作为两者间的联结纽带，从车辆－轨道耦合动力学角度研究了轨道的下沉变形特性。研究结果表明，随着轨道动荷载重复作用次数的增加，轨道下沉量逐渐累积，轨面初始不平顺对轨道下沉变化影响较大。车辆－轨道耦合振动系统和轨道下沉变形处于特定的相互作用过程之中，受轨道累积下沉变形的影响，轮轨力、轨道结构响应加剧。 关键词：车辆；轨道；动力学；累积变形；下沉 中图分类号：U260.11 1. 引言 铁路有碴轨道在运营使用过程中，由于其自身特点，会不可避免地产生残余变形。这种残余变形随着列车荷载的反复作用，逐渐累积，最终导致轨道结构的下沉。轨道累积下沉快慢及下沉量大小直接关系到轨道的维修模式和成本[1]。因此，研究轨道的下沉变形累积特性，预测下沉发展趋势，对经济、合理地安排轨道养护维修，保证列车安全、平稳、不间断运行，具有重要意义。 有关轨道下沉变形的研究最初以试验研究为主，英国、日本、前苏联等国均通过大量试验和现场调查，建立了各自的轨道下沉（主要是道床）计算模型[2~5]，我国在道床下沉计算模型方面也有研究，但相对较少[1,6]。近年来，随着计算机技术的大力发展，使大型仿真分析研究成为可能，研究人员开始探索利用计算机仿真技术，通过数值算法，从理论角度深入研究有如轨道下沉这样的复杂问题，代表性国家主要有英国、瑞典和日本[7~9]。国内在轨道下沉仿真分析方面开展的研究甚少，至今尚未看到较为相关的文献资料。因此，本文在国外研究经验基础上，基于车辆－轨道耦合动力学理论和轨道下沉变形法则，通过将车辆－轨道耦合振动系统和轨道下沉变形相联结，开展了有关轨道动态下沉变形特性以及车辆－轨道耦合振动系统与轨道下沉变形间相互影响关系的研究。 2 研究方法及仿真计算模型 2.1 轨道下沉研究方法 铁路运输属轮轨系统运输模式，车辆与轨道系统处于特定的耦合振动形态之中，车辆与轨道相互作用，轨道几何形位的变化，轨道结构的变形和损伤，是车辆系统和轨道系统相互作用再加上外界自然因素的影响而形成的。轨道的下沉变形是由于列车－轨道相互作用产生的轨道动荷载诱发而产生的，而轨道下沉变形结果又会叠加于原始轨道形态之上，进一步影响到车辆与轨道动态作用。可见，轨道的下沉变形和车辆－轨道耦合系统之间是一个相互作用的过程，研究轨道的下沉变形离不开对车辆－轨道耦合振动系统的分析和研 1. 本课题得到教育部创新团队计划资助（IRT0452）、国家博士学科点基金项目（20030613011）和西南交通大学博士创新基金的资助。
横风下车辆_轨道耦合动力学性能_李田
第11卷 第5期2011年10月 交通运输工程学报 Journal of T raffic and Transportation Engineering Vol .11 No .5Oct.2011 收稿日期:2011-05-12基金项目:国家973计划项目(2007CB714701);“十一五”国家科技支撑计划项目(2009BAG12A01);国家自然科学基金项目(50821063)作者简介:李 田(1984-),男,湖南醴陵人,西南交通大学工学博士研究生,从事车辆动力学研究。导师简介:张继业(1965-),男,四川夹江人,西南交通大学教授,工学博士。 文章编号:1671-1637(2011)05-0055-06 横风下车辆-轨道耦合动力学性能 李 田,张继业,张卫华 (西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都 610031) 摘 要:应用多体系统动力学理论,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,利用新型显式积分法求解动力学方程组,利用赫兹非线性弹性接触理论计算轮轨法向力,利用沈氏理论计算轮轨蠕滑力,编写了车辆-轨道耦合动力学计算程序,研究了轨道结构对高速列车动力学性能的影响,分析了不同横 风环境下高速列车动力学性能和列车姿态。研究结果表明:当列车运行速度为350km h -1,横风速度为15m s -1时,车体最大横向加速度为0.45m s -2,车体最大垂向位移为24.5m m ,车体向背风侧横移80.0mm ,车体最大侧滚角为2.23°;一位轮对的最大轮重减载率接近0.80,二、四位轮对均向背风侧横移,背风侧车轮易发生爬轨现象,二位轮对的横向位移最大,为7.4mm 。在横风下,高速列车的运行安全性指标变差,车体振动加速度变化不明显,车体向背风侧横移。在所有轮对中,二位轮对最危险。关键词:高速列车;车辆-轨道耦合动力学;空气动力学;横风;运行姿态;车体;轮对;轨道结构;安全指标 中图分类号:U270.11 文献标志码:A Coupling dynamics performance of vehicle -track under cross wind LI Tian ,ZH ANG Ji -ye ,ZH ANG Wei -hua (T raction Pow er S ta te K ey Labor atory ,So uthw est Jiaoto ng U niver sity ,Chengdu 610031,Sichuan ,China ) A bstract :A coupling dynamics model o f vehicle -track w as established by using multi -body sy stem dy namics theory ,a new ex plcit integ ratio n method w as used to solve the dynamics equations of the m odel ,w heel -rail norm al contact force w as calcula ted by using nonlinear H ertz contact theory ,w heel -rail creep fo rce w as calculated by using Shen -H edrick -Elkins m odel ,and vehicle -track coupling dynamics prog ram w as w ritten.The influence of track structure on the dynamics performances o f high -speed train was studied ,and the dynamics perform ances and running attitudes o f hig h -speed train under different cross w ind conditio ns w ere analyzed.Analy sis result indicates that w hen train speed is 350km h -1and cro ss wind speed is 15m s -1,the maxim um lateral acceleratio n of car body is 0.45m s -2,the maximum vertical displacem ent of car bo dy is 24.5mm ,car body traver ses 80.0mm tow ard the leew ard side ,and the m aximum ro ll angle of car body is 2.23°.The max imum w heel unlo ading rate of the first w heelset is close to 0.80,the seco nd and fo urth w heelse ts traver se to wa rd the leewa rd side ,and the w heels o n the leew ard side have climbing track pheno meno n.The lateral displacem ent of the second w heelset is largest ,and reaches 7.4m m.Under cross wind ,the safe ty inde xes of hig h -speed train become w o rse ,car bo dy acceleratio n chang es unconspicuous ,and car bo dy traverses tow ards the leew ard side.The
(00412703)车辆系统动力学
研究生课程教学大纲 课程编号：00412703 课程名称：车辆系统动力学 英文名称：Vehicle System Dynamics 学时：32 学分：2 适用学科：机械、交通等 课程性质：专业基础课 先修课程：车辆工程 一、课程的性质及教学目标 本课程是车辆工程和载运工具运用工程硕士研究生的专业基础课。通过本课程的学习使学生掌握车辆动力学基本原理，了解车辆动力学发展现状，掌握车辆系统动力学激励原因、建模与试验研究方法、动力学性能评定方法。 二、课程的教学内容及基本要求 本课程的目的主要介绍引起车辆振动原因及铁道车辆安全、平稳性等动力学评定标准，车辆零部件建模方法，轮轨接触理论，蛇行运动稳定性，车辆的曲线通过，列车纵向动力学。 三、课内学时分配
四、推荐教材与主要参考书目 1．王福天车辆系统动力学中国铁道出版社1994 2．张定贤机车车辆轨道系统动力学中国铁道出版社1996 3．任尊松，车辆系统动力学，中国铁道出版社，2007 4．Simon Iwnicki, Handbook of railway vehicle dynamics, Taylor and Francis Group, 2006
5．沈利人译铁道车辆系统动力学西南交通大学出版社1998 6．陈泽深，王成国铁道车辆动力学与控制中国铁道出版社2004 7．现代轨道车辆动力学胡用生中国铁道出版社2009 8．车辆-轨道耦合动力学翟婉明科学出版社2007 9．车辆与结构相互作用夏禾科学出版社2002 五、教学与考核方式 理论教学方式、考试+平时成绩评定成绩 编写人（签字）：魏伟编写时间：2012.9.4
轨道动力学发展概况(打印)
简要发展历史 一、国外情况 1）20世纪40年代，铁木辛柯和沙湖年慈开始探讨单自由度集总参数轨道模型分析正弦及余弦荷载作用下的轨道位移响应问题。 2）六、七十年代，佐藤裕和佐藤吉彦曾经采用集总参数模型和连续弹性基础梁模型研究了轨道的动力效应。其中比较有代表的是所渭Sato“半车一轨道”模型。 3）美国Ahlbee曾提出与Sato模型相仿的“半车一轨道”集总参数模型，所不同的是轨道部分增加了一个基础参振量，并且考虑了钢轨接头因轮轨冲击变形而引起的刚度削弱影响。 4)20世纪70年代，英国Derby铁路研究中心以轨道不平顺作为激励源并将机车车辆和轨道的相互关系引入模型中。 5）Lyon和Jenkins等(1972)建立了低接头轨道动力分析模型，并由此定义了高频冲击力P1和低频响应力P2，并推荐了简化计算公式。 6）1979年Newton对该模型作了局部改进，以Timoshenko梁代替Euler梁描述钢轨，从而可以考虑梁的剪切变形和截面旋转惯性对轮轨垂向力的影响。 7）在此基础上，英国Derby中心的研究入员进一步采用了弹性点支承连续梁模拟轨道，并考虑了轨枕的振动影响。 8）Clark(1982)等为研究车辆在波浪型磨耗钢轨上行驶的动态效应，采用了弹性点支撑连续梁模拟轨道，并单独考虑轨枕的振动影响，使模拟更趋于实际。 9）加拿大Cai和瑞典Nielsen等为研究车辆与轨道相互动力作用问题，采用了“转向架一轨道"分布参数模型，轨道为二层离散支撑连续梁，并用此模型分析了车轮擦伤引起的轮轨冲击作用问题。 10）早在1926年Carter即开始研究机车动轮与钢轨间的蠕滑现象，给出了切向力与蠕滑率间变化的关系式，用来分析机车沿平直轨道运行时的稳定性问题。 11）60年代和70年代，Kalker的蠕滑理论研究已能针对轮轨间同时存在蠕滑和回旋的普遍情况，确定作用于车轮接触面上的蠕滑力和蠕滑力矩，并且开发了避开弹性力学的椭圆函数为系数而形式上更易于应用的“Kalker’’系数cii和蠕滑系数Fij。可以综合地分析轮轨间蠕滑和回旋对车辆横向稳定性、曲线通过和对轨道不平顺的响应问题。 二、国内情况 1）周宏业和叶翔(1963)采用单自由度集总参数轮轨碰撞模型计算轮轨冲击力； 2）徐实儒(1985)采用了这一模型并做了相应的改进： 3）吴章江(1982)提出了包含摩擦阻尼力的轮轨集总参数三自由度模型来计算轮轨冲击力。 4）20世纪80年代后，李定清(1984)采用阻尼和弹簧系统来等效轨下基础， 5）陈道兴(1984)在其基础上又建立了包括车辆悬架、轮轨接触、轨道支撑弹性非线性影响的轮轨动力分析模型。 6)张丁盛又从研究挚板隔振的角度出发，考虑轨下挚板和道床的影响，建立了轮轨系统的有限元模型，分析了秘板的减振效果。
轨道车辆系统动力学
轨道车辆系统动力学2016期末考试题库 1.列车车辆动力学的核心要素有哪些？ 2.简述一次蛇行和二次蛇行的产生原因及它们对车辆稳定性的影响，应采用何 措施来控制一次蛇行和二次蛇行？ 3.影响列车脱轨的原因有哪些？（车辆方面，轨道方面和运用方面） 4.刚性轮对与独立轮对的主要区别是什么？它们的踏面设计会有什么不一样的 要求？ 5.轨道不平顺的分类及产生原因？ 6.什么叫一次蛇行运动？什么叫二次蛇行运动？ 7.怎么计算列车轮对踏面与导轨之间的蠕滑力?简述轮轨蠕滑力的求解过程。 8.轮对的磨耗按主要磨损区域可划分为哪两类？同时请问现有的轮对镟修策略 标准由哪些（至少说出两种）？ 9.脱轨系数和轮重减载率指标有何异同？ 10.刚性轮对和独立轮对的最主要区别是什么？此主要区别使得独立轮对转向架 形成了哪些主要特点？ 11.如何测量轨道不平顺？ 12.运用Kalker线性蠕滑理论建立刚性轮对线性化横向动力学微分方程。根据建 立的轮对运动学微分方程，分析影响刚性轮对车辆蛇形运动的·临界速度的因素。 13.对于车辆曲线通过性能有哪些影响因素？如何提高其过曲线性能？ 14.车体蛇行和转向架蛇行分别有什么含义，有何特征及避免措施？ 15.与传统刚性轮对相比，分析独立轮对在导向能力上的不足？并提出增加独立 轮导向能力的措施？ 16.什么是蠕滑？简述蠕滑率的定义。蠕滑率与蠕滑力之间有什么关系？并说明 蠕滑力的大小与什么因素有关？ 17.一次蛇行、二次蛇行的概念？蛇行运动的特点？ 18.如何在进行车辆参数设计时，均衡考虑车辆的稳定性和曲线通过性能？ 19.影响列车脱轨的原因有哪些？ 20.推导Nadal脱轨公式。 脱轨临界状态时，脱轨车轮受力如图所示： 由图得到力平衡方程： 求解上述方程组可得到Nadal公式： 21.常见的轨道不平顺有哪些？都指什么？ 22.习题一：试编制轮轨几何接触计算分析软件并分析一个案列（15分） 23.习题二：采用矩阵组装法计算垂向振动系统的特征值及特征向量（15分）