应用案例

1 - MOT 装载优化

概述

本实验脚本提供类mot_settings：在 build() 中声明锂 MOT/CMOT 全套设备，并把轴向 / 径向磁场电流 与 MOT/CMOT 失谐暴露为 GUI 参数，便于手动或扫描式地优化磁光阱装载。run() 为空 时序，可在此基础上扩展成像/计数判断装载效果。

设备（build 节选）

参数（build 节选）

MOT_Axial / _Radial、CMOT_Axial / _Radial（梯度/均匀场电流）、MOT_Current / CMOT_Current（阱电流）、 MOT_detuning / CMOT_detuning（失谐）。

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment, NumberValue

class mot_settings(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_device("li_cooling_power")
        self.setattr_argument("MOT_detuning", NumberValue(...))
        # ... 其余设备/参数省略

装载优化

改变磁场电流与失谐后，可结合荧光计数或吸收成像（见同目录吸收成像） 测量原子数来判断装载效率。

2 - 电场偏移补偿辅助工具

概述

离子阱实验常受杂散电场影响（离子位置偏移/微运动）。电场偏移补偿辅助工具把电压 扫描、数据绘图与补偿电压求取整合起来：GUI 侧由 quatm/GUI/alignment/comp_helper.py 的 CompensationHelper 提供；实验侧用 Usage Example/experiments/compensation.py（类 compensation）对离子加 shim 电压并触发多帧 图像，扫描 trap_x / trap_y 等轴。

GUI 组件（comp_helper）

用法

from quatm.GUI.alignment.comp_helper import CompensationHelper

comp = CompensationHelper(parent=parent)

更完整说明见 实验辅助。

3 - 离子装载与冷却

概述

本脚本提供类loading_ion：编排从开射频阱、烧蚀产生离子、激光冷却到荧光检测的完整离子装 载流程。烧蚀脉冲的个数、脉宽与冷却/检测时长等均为 GUI 参数。

参数（build 节选）

Nr_Ablation_Pulses、tune_pulse_number、pulse_duration、det_time、shutter_time、V_rf（阱电压）、ion_cool_power。

时序

开射频阱（V_rf）→ 烧蚀脉冲（多次）→ 激光冷却
  → 荧光检测（计数判断离子是否装载成功）

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment

class loading_ion(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_argument("Nr_Ablation_Pulses", NumberValue(...))
        self.setattr_argument("V_rf", NumberValue(...))
        # ... 其余省略

相关脚本

ablation_pulse.py（单次烧蚀）、deterministic_loading.py 与 loading_deterministic.py（确定性装载：失败重试）。

配套

离子装载完成后的冷却与荧光计数可配合量子态检测做态相关测量；射频阱 默认参数见 rf_trap.py。

4 - 偶极阱优化辅助工具

概述

做光偶极阱（xODT/cODT）实验前，需要用偶极阱优化辅助工具把光束对准到原子/离 子上。GUI 侧的实验辅助主窗口 odt_utils（quatm/GUI/entries/odt_utils.py ）以标签页聚合两类对准工具：

用法

from quatm.GUI.entries.odt_utils import odt_utils

helper = odt_utils()   # 独立进程启动，含 xODT 对准与杂散场补偿标签页

完整说明见 GUI 组件目录的实验辅助；对准后的 ODT 实验见光偶极阱。

5 - 系统校准

功能介绍

除物理实验外，Quatm 将日常校准任务也编为标准实验脚本，实现一键运行和自动记录。覆盖相机暗噪声、快门响应、频率合成器验证和触发延迟标定等常见校准需求。

代码结构

所有校准实验均遵循相同的结构模式：

• 继承 Experiment 类
• 在 build() 中声明被测设备和校准参数
• 在 run() 中执行校准流程并自动记录结果

典型校准任务

相机暗噪声表征

功能：在无光条件下连续采集图像帧，统计暗电流噪声分布。

主要步骤：

1. 关闭所有光源，设置相机曝光时间
2. 循环采集 N 帧暗图像
3. 计算每像素的均值和标准差
4. 保存噪声图谱至 HDF5

涉及设备：相机

快门响应时间测量

功能：测量机械快门从 TTL 触发到完全开启/关闭的延迟时间。

主要步骤：

1. 光电探测器对准快门后的光束
2. TTL 触发快门开启，同步启动高速采集
3. 记录探测器信号上升/下降沿时间
4. 重复测量取平均

涉及设备：快门（TTL）、光电探测器

频率合成器验证

功能：验证 Valon 5009 或 DDS 频率合成器的实际输出频率和功率。

主要步骤：

1. 设置频率合成器到目标频率
2. 频谱仪测量实际输出
3. 扫描频率范围，记录偏差
4. 生成校准曲线

涉及设备：Valon 5009/DDS（串口）、频谱仪

相机触发延迟标定

功能：测量 TTL 触发到相机实际曝光窗口之间的延迟。

主要步骤：

1. 脉冲光源与相机触发共享同一 TTL 信号
2. 扫描触发延迟参数
3. 检测每帧中光脉冲出现位置
4. 标定最佳延迟值

涉及设备：相机、脉冲光源（TTL）

6 - 原子—离子碰撞实验

概述

该实验提供类 secondinteraction：把锂原子 MOT 与离子装载、态制备、移位整合成一次原子-离 子碰撞/相互作用实验。各阶段封装成独立方法，便于复用与扩展。

阶段方法

参数（build 节选）

Loading_Time、Nr_Ablation_Pulses、Det_Time、Nr_Pictures、 loadingtime_MOT、detection_time、RF_Voltage_Final 等。

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment, delay, realtime

class secondinteraction(Experiment):
    def run(self):
        self.load_ions()        # 烧蚀装载 + 激光冷却
        self.Ion_to_S_state()   # 制备到 S1/2
        self.load_MOT()         # 装载锂 MOT
        # 相互作用…然后成像/计数

相关脚本

• interaction_probe.py：初步的相机触发/简单序列；
• motloading.py：MOT 装载参数扫描；
• 光偶极阱内的相互作用见光偶极阱相互作用实验。

7 - 量子态操控与检测

概述

该实验脚本提供类 state_prep：把离子光学泵浦到 S1/2 或 D3/2 态，并可选在 结束时恢复一个冷却循环。态相关检测则用荧光计数区分亮/暗态。

参数

on_s_off_d（泵浦到 S1/2（关 650）还是 D3/2（关 493））、 cooling_end（结束前是否加一次冷却）。

态制备逻辑

• S1/2：先关 650 光 → 离子落入 S1/2；
• D3/2：先关 493 光 → 离子被泵浦到 D3/2。

此逻辑同样出现在 secondinteraction 的 Ion_to_S_state / Ion_to_D_state 中，并 用 count_ions 荧光计数做状态相关检测（亮 = S1/2，暗 = D3/2 等）。

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment, BoolValue

class state_prep(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_argument("on_s_off_d", BoolValue(value=False))
        self.setattr_argument("cooling_end", BoolValue(value=True))
        # ... 其余省略

相关脚本

optical_dark_pumping.py（暗泵浦，pumping_time_us）、d_shelving.py （D 态相关测量）。

8 - 吸收成像

概述

本实验脚本提供类absorption_imaging：在 build() 中声明冷却/成像光与相机触发，把 MOT 装载、探测 闪光与自由飞行膨胀时间暴露为参数；run() 编排成像序列，并提供 fluorescence_imaging 与 absorption_imaging 两种探测方式。

参数（build 节选）

Mot_loading、Flash_us（探测闪光时长）、expansiontime_ms（自由飞行膨胀）、 image_detuning（成像失谐）、MOT_detuning。

设备（build 节选）

li_cooling_aom / li_repump_aom / li_zeeman_aom（冷却/再泵浦/塞曼）、 li_absorption_h（水平吸收探测光）、li_imaging_valon + dds_0（成像频率源）、 trigger_radba（触发）。

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment, NumberValue, delay

class absorption_imaging(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_device("li_absorption_h")
        self.setattr_device("li_imaging_valon")
        self.setattr_argument("expansiontime_ms", NumberValue(...))
        # ... 其余省略

    def absorption_imaging(self):
        # 含原子/无原子/背景三帧，计算光学深度
        ...

数据分析

光学深度（柱密度）的计算与发布由分析进程 ImageDivider 完成，见 数据与分析/吸收成像。

9 - 光偶极阱中的原子-离子相互作用

概述

在该示例中，我们把锂原子的 MOT / 光偶极阱（ODT）与钡离子的冷却、移位和态检测组合成一次完整 的原子-离子相互作用实验。实验类 interaction_optical_trapping 继承 Experiment，主流程由 init_CMOT、absorption_imaging、expose_camera 与 run 等方法分阶段搭建。

一次典型序列大致为：先装载 MOT 并把离子预冷、移位“让开”，再装载原子云进入 CMOT 与光偶极阱，经蒸发、自旋极化后让离子移回并与原子相互作用（可做损失谱或 Feshbach 共振测量），最后做光学测温、吸收成像与离子产物态检测。

主要设备

时序阶段（run 内注释归纳）

MOT 装载 → 离子预冷并移位（让出原子装载空间）
  → CMOT（可选高梯度/功率/失谐阶段）→ 转移进 ODT / 双色阱
  → 蒸发冷却（可选 rf 关联）→ 自旋极化
  → 离子移回原子云 → 相互作用 / 损失 / Feshbach 测量
  → 阱频测量 / 飞行时间(TOF) → 离子光学测温 → 吸收成像 + 离子态检测

关键代码（节选）

from quatm.experiment import NumberValue, BoolValue, Experiment, delay, realtime

class interaction_optical_trapping(Experiment):
    def build(self):
        # 锂 MOT/CMOT 相关设备
        self.setattr_device("li_cooling_power")
        self.setattr_device("li_cooling_aom")
        self.setattr_device("b_quadrupole")
        self.setattr_device("b_homogen")
        # ... 其余设备省略

    def run(self):
        # 相互作用期间让离子保持在原子云中
        with realtime():
            self.li_cooling_aom = False
            delay(0.5)
            # ... 时序省略

运行

把脚本放入 experiments/ 对应目录后，在实验浏览器（Browser）中打开即可看到 build 生成的参数面板；点击运行会按 run 的时序执行整段序列。该脚本也可作为编写 自定义原子-离子相互作用实验的模板（关注其中的离子移位 ramps、CMOT 装载与 ODT 转移 分段）。

10 - 光偶极阱实验

概述

本实验脚本提供类 optical_trapping：在 build() 声明锂 MOT/CMOT 与成像设备，把装载 / 俘获 / 成 像的关键时序参数暴露为 GUI 参数；run() 通过 init_CMOT、fluorescence_imaging 与 absorption_imaging 等方法编排完整的光偶极阱（ODT）实验序列。

时序阶段

MOT 装载（Mot_loading）→ CMOT（init_CMOT：梯度/失谐/功率切换）
  → ODT 俘获（trapping_time_ms）→ 释放 → 飞行时间（time_of_flight）
  → 吸收成像 / 荧光成像

参数（build 节选）

Mot_loading、Flash_us、trapping_time_ms、resonance_shift、 image_detuning、detuning_ramp_slope_MHz_ms、time_of_flight、 MOT_detuning / CMOT_detuning、MOT_Current_Loading / CMOT_Current 与 Homogenous_Current_* 系列等。

关键代码（节选）

from quatm.experiment import Experiment, NumberValue, delay

class optical_trapping(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_device("li_cooling_aom")
        self.setattr_device("li_absorption_h")
        self.setattr_argument("trapping_time_ms", NumberValue(...))
        # ... 其余省略

    def init_CMOT(self):
        # CMOT 阶段：梯度、失谐与功率切换
        ...

配套

对准 xODT/cODT 光路可用偶极阱优化辅助工具；成像数据分析见 吸收成像 与数据与分析目录的吸收成像。

11 - 光学囚禁离子

概述

该示例以实验类 OpticalTrappingIon 演示用光偶极阱 纯光学囚禁单个 离子。射频势阱（rf）可选择关闭以测量纯光阱性能，也可在可调磁场下进行光学囚 禁；配合离子激光冷却、自旋准备与产物态检测，离子还可经轴向电极在阱内外移动。

主要设备

参数（build 中 setattr_argument 节选）

trapping_time、odtpower、rf_init 与 rf_ramp_duration、opt_ramp_duration、repumpers_on、pump_d32、 ba_spin_prep、b_field_precooling(_applied) / b_field_opt_trap(_applied)、 shuttle_ion / shift_voltage、shutter_time、detect_ba_product_state 等。

时序阶段

初始化
  → 离子自旋准备
  → 磁场切换（可选高场探测）
  → （可选）轴向移出再移回离子
  → 线性爬升光囚禁束功率 → 关闭射频约束（纯光学囚禁）
  → 关闭光阱（释放）与磁场
  → 产物态/荧光检测

关键代码（节选）

from quatm.experiment import *   # Experiment, NumberValue, BoolValue, delay, realtime ...

class OpticalTrappingIon(Experiment):
    def build(self):
        self.setattr_device("ba_493_aom")
        self.setattr_device("odt_power")
        self.setattr_device("rf")
        self.setattr_argument("trapping_time", NumberValue(ndecimals=0, step=10,
                             value=100, unit="µs"))
        # ... 其余参数省略

    def run(self):
        with realtime():
            # 爬升光囚禁束、关闭射频约束实现纯光学囚禁
            self.odt_power = self.odtpower
            self.rf_trap_off = True
            # ... 时序省略

运行

将该脚本放入 experiments 后，在实验浏览器（Browser）中打开即会生成参数面 板；调节 odtpower 与 trapping_time 可扫描光学囚禁的功率与 时长，配合 detect_ba_product_state 读取离子产物态。