应用案例

1 - MOT 装载优化

功能介绍

该实验通过继承 Experiment 基类，实现对磁光阱（MOT）磁场线圈、冷却光和回泵光的协同控制。实验支持自动扫描磁场梯度和冷却光失谐两个维度，每次运行后通过吸收成像测量原子数，最终找到最优的 MOT 装载参数组合。

代码结构

• 导入 Experiment 基类和参数类型
• 定义 MOTLoadExperiment 类
• 在 build() 中声明设备和扫描参数
• 在 run() 中编排装载—压缩—探测时序

类：MOTLoadExperiment

简短功能介绍

继承自 Experiment 的实验类，负责 MOT 装载的完整自动控制流程。

方法：build()

功能：声明实验中使用的设备和可调参数。

参数声明：

• b_gradient：磁场梯度（NumberValue，单位 G/cm）
• cooling_detuning：冷却光失谐（NumberValue，单位 MHz）
• loading_time：装载时间（NumberValue，单位 s）
• tof_time：自由飞行时间（NumberValue，单位 ms）

设备声明：

• trap_coil_x、trap_coil_y、trap_coil_z：DAC 控制的磁场线圈
• cooling_aom、repump_aom：TTL 控制的激光开关
• camera_trigger：相机触发 TTL

方法：run()

功能：单次 MOT 装载—探测的执行逻辑。

主要步骤：

1. 设置磁场线圈电流，建立梯度磁场
2. 开启冷却光和回泵光，开始装载原子
3. delay(loading_time) 等待装载完成
4. 关闭磁场和冷却光，开始自由飞行
5. delay(tof_time) 等待原子云膨胀
6. 触发探测光脉冲和相机曝光
7. 分析吸收图像，通过 DataClient 推送原子数

参数扫描

在 GUI 中为 b_gradient 和 cooling_detuning 设置扫描范围，Quatm 自动遍历所有组合，每次运行记录对应原子数。扫描完成后可绘制二维装载效率图谱。

涉及的设备

Trap 线圈（DAC×3）、冷却光 AOM（TTL+DAC）、回泵光（TTL）、探测光（TTL）、相机触发（TTL）、吸收成像相机

2 - 电场偏移补偿辅助工具

代码概述

该代码实现了一个用于补偿电场漂移的辅助工具（CompensationHelper）。该工具通过使用 Qt 库构建图形界面，帮助进行电压扫描、数据管理和图形绘制。代码包含多个类，每个类负责特定的功能模块，例如图形绘制、控制参数设置和实验序列管理。

依赖库

• sys, time, numpy：标准库，用于系统操作、时间管理和数值计算。
• Qt：用于构建 GUI 应用程序。
• pyqtgraph：用于绘制图形。
• quatm.servers 和 quatm.GUI：自定义库，用于属性管理和 GUI 组件。

类和方法

CompensationHelper 类

CompensationHelper 继承自 BWidget，实现了电场补偿的主界面。

方法：

• __init__(self, parent)：初始化补偿助手，设置布局并添加绘图和控制小部件。

PlotWidget 类

PlotWidget 继承自 QFrame，实现了绘图窗口。

方法：

• __init__(self, parent)：初始化绘图窗口，创建每个陷阱轴的标签页和数据流名称。
• constructScanRange(self)：构建扫描范围，根据中心和跨度生成线性扫描范围。

TabWidget 类

TabWidget 继承自 QFrame，实现了每个陷阱轴的标签页。

方法：

• __init__(self, name, _prop_root, datastream_names, n_yaxis=2, parent=None)：初始化标签页，设置布局和按钮。
• toggleDataTaking(self)：切换数据管理器的状态（启动/暂停）。
• setPlotDefaults(self)：设置绘图的默认参数。
• avModeSwitch(self)：切换平均模式的状态。

ControlWidget 类

ControlWidget 继承自 QFrame，实现了控制窗口。

方法：

• __init__(self, parent)：初始化控制窗口，创建按钮和参数框。
• run_all_fn(self, progress_callback=None)：运行所有轴的扫描函数。
• run_all(self)：启动所有轴的扫描。
• print_output(self)：打印输出。
• task_done(self)：任务完成时调用。
• progress_fn(self, n)：更新进度。
• init_data_taking(self)：初始化数据采集。

SingleAxisWidget 类

SingleAxisWidget 继承自 QFrame，实现了单个轴的扫描控制。

方法：

• __init__(self, name, parent)：初始化单个轴的扫描控制窗口，设置布局和按钮。
• switch_tabs(self)：切换标签页。
• findIntersection(self)：找到两个线性拟合结果的交点。
• getFromDefaults(self)：从默认值中获取补偿电压。
• pushToDefaults(self)：将补偿电压推送到默认值。
• run_all_fn(self, progress_callback=None)：运行所有扫描函数。
• init_data_manager(self)：初始化数据管理器。
• start_scan(self)：开始扫描。
• progress_fn(self, n)：更新进度。
• run_done(self)：扫描完成时调用。
• handle_error(self, err_msg)：处理错误。
• clear(self)：清除绘图。

CompVoltageScan 类

CompVoltageScan 继承自 QFrame，实现了电压扫描功能。

方法：

• __init__(self, parent, axis_name)：初始化电压扫描窗口，设置布局和按钮。
• initGUI(self)：初始化用户界面，创建控件和布局。
• switchTabs(self)：切换标签页。
• constructScanRange(self)：构建扫描范围。
• initExperiment(self)：初始化实验参数。
• updateScan(self)：更新扫描参数。
• runExperimentSequence(self, progress_callback)：运行实验序列。
• stop(self)：停止扫描。
• run(self)：启动扫描。
• progress_fn(self, n)：更新进度。
• print_output(self, s)：打印输出。
• thread_complete(self)：线程完成时调用。
• terminate(self)：终止扫描。

辅助函数

find_or_add(box, text)

在组合框中查找或添加项目。

def find_or_add(box, text):
    """if it's in the box, set it, if not, add and set it"""
    idx = box.findText(text)
    if idx < 0:
        box.addItem(text)
        idx = box.findText(text)
    box.setCurrentIndex(idx)

总结

该代码实现了一个用于补偿电场漂移的辅助工具。通过图形用户界面，用户可以进行电压扫描、数据管理和图形绘制。代码包含多个类，每个类负责特定的功能模块，例如图形绘制、控制参数设置和实验序列管理。

3 - 离子装载与冷却

功能介绍

该实验通过四个精确定时阶段：烧蚀、冷却、俘获和荧光探测，实现钡离子（Ba⁺）的自动装载。各阶段参数可在 GUI 中独立调节，支持确定性装载（失败自动重试）。

代码结构

• 导入 Experiment、NumberValue 和 BoolValue
• 定义 IonLoading 类
• 在 build() 中声明各阶段参数和设备
• 在 run() 中串联四阶段时序

类：IonLoading

简短功能介绍

继承自 Experiment，管理离子装载的完整多阶段流程。

方法：build()

功能：声明离子装载所需的设备和可调参数。

参数声明：

• ablation_power：烧蚀激光功率（NumberValue）
• cooling_493_power：493 nm 冷却光功率（NumberValue）
• cooling_650_power：650 nm 回泵光功率（NumberValue）
• cooling_time：Doppler 冷却时长（NumberValue）
• detection_time：荧光探测积分时间（NumberValue）
• enable_auto_retry：是否启用自动重试（BoolValue）

设备声明：

• ablation_laser：烧蚀激光 TTL
• cooling_493：493 nm 冷却光（TTL + DAC）
• cooling_650：650 nm 回泵光（TTL + DAC）
• rf_trap：射频囚禁场（DDS）
• emccd：EMCCD 相机

方法：run()

功能：执行一次完整的离子装载序列。

主要步骤：

1. 触发烧蚀激光脉冲，从靶材产生离子
2. 开启 493 nm 冷却光和 650 nm 回泵光
3. delay(cooling_time) Doppler 冷却离子
4. 开启 EMCCD 曝光，采集荧光图像
5. delay(detection_time) 荧光积分
6. 调用 bright_spots.detect() 检测离子存在
7. 若未检测到且 enable_auto_retry 为真，自动重试

涉及的设备

烧蚀激光（TTL）、冷却激光 493 nm（TTL+DAC）、回泵光 650 nm（TTL+DAC）、射频源（DDS）、EMCCD 相机

4 - 偶极阱优化辅助工具

功能介绍

该代码实现了一个名为 LittleHelper 的 Qt 应用程序，它包含多个标签页，每个标签页提供不同的帮助功能。目前实现了两个帮助功能：xODT Alignment 和 Stray Field Compensation。

代码结构

• 导入必要的模块和库
• 定义 LittleHelper 类
• 定义 TabWidget 类
• 定义脚本入口

类：LittleHelper

简短功能介绍

LittleHelper 类是一个主窗口类，用于创建和显示包含多个标签页的主窗口。

方法：__init__

功能：初始化 LittleHelper 对象，设置窗口标题并创建标签页部件。

参数：

• *args 和 **kwargs：可变参数和关键字参数，用于初始化基类。

主要步骤：

1. 调用父类的 __init__ 方法。
2. 设置窗口标题为 “Little Helper”。
3. 创建并设置 TabWidget 作为中央部件。

类：TabWidget

简短功能介绍

TabWidget 类是一个包含多个标签页的部件，每个标签页提供不同的帮助功能。

方法：__init__

功能：初始化 TabWidget 对象，创建并添加标签页。

参数：

• parent：父对象。

主要步骤：

1. 调用父类的 __init__ 方法。
2. 创建主布局并设置为垂直布局。
3. 初始化标签页组件 QTabWidget。
4. 创建并添加标签页：
   • tab1：OdtAlignmentHelper 标签页，用于 xODT 对准。
   • tab2：CompensationHelper 标签页，用于杂散场补偿。
5. 将标签页添加到 QTabWidget 中。
6. 将 QTabWidget 添加到主布局中并设置布局。

脚本入口

简短功能介绍

脚本入口用于创建应用程序实例，显示主窗口并启动应用事件循环。

主要步骤

1. 创建 QApplication 实例。
2. 创建 LittleHelper 实例。
3. 显示主窗口。
4. 启动应用事件循环。

主要类和方法

• LittleHelper：主窗口类，包含多个标签页。

  • __init__：初始化窗口标题和标签页部件。

• TabWidget：包含多个标签页的部件。

  • __init__：初始化标签页并添加不同的帮助功能标签页。

脚本入口

• 创建 QApplication 实例。
• 创建 LittleHelper 实例并显示主窗口。
• 启动应用事件循环。

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

功能介绍

该实验同时控制冷原子（Rb）和单离子（Ba⁺）两套独立系统。通过精确的空间和时间重叠，研究低温下原子—离子碰撞的动力学过程。Quatm 将两套系统的设备统一管理，确保时序同步。

代码结构

• 导入 Experiment、NumberValue 和 BoolValue
• 定义 AtomIonInteraction 类
• 在 build() 中声明两套系统的设备和参数
• 在 run() 中协调原子和离子的并行时序

类：AtomIonInteraction

简短功能介绍

继承自 Experiment，管理原子和离子两套控制系统的协同运行。

方法：build()

功能：声明原子和离子两侧的全部设备和参数。

原子侧参数声明：

• mot_loading_time：MOT 装载时间（NumberValue）
• mot_b_gradient：磁场梯度（NumberValue）

离子侧参数声明：

• ion_position_x、ion_position_y：离子在阱中位置（NumberValue）
• interaction_time：相互作用等待时间（NumberValue）

设备声明：

• 原子侧：trap_coil_*（DAC×3）、cooling_aom（TTL）、repump_aom（TTL）、camera（吸收成像）
• 离子侧：paul_electrode_*（DAC×4）、ablation_laser（TTL）、cooling_493（TTL+DAC）、emccd

方法：run()

功能：执行一次原子—离子碰撞实验。

主要步骤：

1. 并行启动原子 MOT 装载和离子装载
2. 移动离子到预定位置（ion_position_x、ion_position_y）
3. 等待 MOT 装载完成，压缩原子云
4. 原子云与离子在空间和时间上重合
5. delay(interaction_time) 等待碰撞发生
6. 分别检测：吸收成像测原子损失，荧光探测测离子态变化
7. 两路数据通过 DataClient 分别推送

涉及的设备

原子侧：MOT 线圈（DAC×3）、冷却/回泵光（TTL×2）、吸收成像相机 离子侧：Paul 阱电极（DAC×4）、烧蚀激光（TTL）、冷却光（TTL+DAC）、EMCCD

7 - 量子态操控与检测

功能介绍

该实验实现 D 态 shelving 量子态检测协议：通过光学泵浦将离子制备到暗态，施加微波操控后，利用状态相关荧光区分 S 态和 D 态。自动重复数百次测量，统计量子跃迁概率。

代码结构

• 导入 Experiment、NumberValue 和 StringCombo
• 定义 QuantumStateDetection 类
• 在 build() 中声明操控和检测参数
• 在 run() 中编排泵浦—操控—检测序列

类：QuantumStateDetection

简短功能介绍

继承自 Experiment，封装量子态操控与荧光检测的完整协议。

方法：build()

功能：声明量子态检测所需的设备和参数。

参数声明：

• mw_frequency：微波频率（NumberValue）
• mw_duration：微波脉冲宽度（NumberValue）
• pump_duration：光学泵浦时间（NumberValue）
• repetitions：重复测量次数（NumberValue）
• scan_mode：扫描模式（StringCombo：频率扫描/功率扫描/时间扫描）

设备声明：

• valon_5009：微波频率合成器
• cooling_493：冷却/探测光（TTL + DAC）
• cooling_650：回泵/泵浦光（TTL + DAC）
• emccd：EMCCD 相机
• pmt_counter：PMT 光子计数器

方法：run()

功能：执行一次量子态检测序列。

主要步骤：

1. Doppler 冷却离子
2. 光学泵浦到暗态（D₅/₂）
3. 施加微波脉冲驱动量子跃迁
4. 开启探测光，PMT 记录荧光光子数
5. 根据光子数阈值判断离子终态（亮/暗）
6. 重复 N 次，统计跃迁概率
7. 切换微波频率/功率，进入下一次扫描点

涉及的设备

微波源（Valon 5009）、冷却光（TTL+DAC）、回泵光（TTL+DAC）、EMCCD、PMT 光子计数器

8 - 吸收成像

功能介绍

该实验通过集成相机触发、图像采集和高斯拟合，实现冷原子吸收成像的全自动流程。支持三帧成像法（原子像、背景像、探测光像），自动计算光学深度分布，并通过 gaussfit 模块拟合提取原子数和温度。

代码结构

• 导入 Experiment、NumberValue 和 gaussfit 分析模块
• 定义 AbsorptionImaging 类
• 在 build() 中声明相机和探测光参数
• 在 run() 中编排成像时序并调用分析

类：AbsorptionImaging

简短功能介绍

继承自 Experiment，封装吸收成像的完整采集与分析流程。

方法：build()

功能：声明实验设备和成像参数。

参数声明：

• exposure_time：相机曝光时间（NumberValue）
• probe_pulse_duration：探测光脉冲宽度（NumberValue）
• tof_time：自由飞行膨胀时间（NumberValue）

设备声明：

• camera：Andor 或 BlackFly 相机
• probe_aom：探测光 TTL 控制
• trap_coil_z：Z 方向磁场线圈

方法：run()

功能：执行一次完整的吸收成像探测。

主要步骤：

1. 关闭磁场线圈，释放原子云
2. delay(tof_time) 等待自由飞行
3. 触发探测光脉冲（probe_aom = True）
4. 同步触发相机曝光
5. 读取图像数据
6. 调用 gaussfit.fit_2d() 拟合光学深度
7. 通过 DataClient 发送原子数和温度结果

涉及的设备

探测光 AOM（TTL）、相机（Andor/BlackFly）、磁场线圈（DAC）

9 - 光偶极阱实验

功能介绍

该实验实现对光偶极阱（ODT）的功率控制、频率扫描和原子寿命自动测量。支持 ODT 功率和射频频率的双参数扫描，用于精确标定 Feshbach 共振位置。

代码结构

• 导入 Experiment、NumberValue 和 BoolValue
• 定义 ODTExperiment 类
• 在 build() 中声明 ODT 设备和扫描参数
• 在 run() 中编排装载、俘获和探测时序

类：ODTExperiment

简短功能介绍

继承自 Experiment，管理 ODT 的功率控制、频率扫描和寿命测量。

方法：build()

功能：声明 ODT 实验所需的设备和参数。

参数声明：

• odt_power：ODT 激光功率（NumberValue）
• rf_frequency：射频频率（NumberValue，用于 Feshbach 扫描）
• hold_time：原子在 ODT 中的停留时间（NumberValue）
• enable_rf：是否启用射频（BoolValue）

设备声明：

• odt_aom：ODT 光路 AOM（DAC + TTL）
• valon_5009：射频频率合成器
• camera：吸收成像相机

方法：run()

功能：执行一次 ODT 俘获—探测循环。

主要步骤：

1. MOT 装载原子云
2. 开启 ODT 激光，关闭磁场线圈
3. delay(hold_time) 保持原子在 ODT 中
4. 关闭 ODT，释放原子
5. 吸收成像探测剩余原子数
6. 记录 ODT 功率和原子数至 HDF5

涉及的设备

ODT 激光 AOM（DAC+TTL）、射频源（Valon 5009）、磁场线圈（DAC）、吸收成像相机