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spike frequency adaptation... oscillations
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out-of-plane oscillation
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Self-excited helical flow oscillations are frequently observed in gas turbine combustors. In the present work a new approach is presented tackling this phenomenon with stability concepts. Three reacting swirling flows are investigated. All of them undergo vortex breakdown, but only two of them show self-excited global flow oscillations at well-defined frequencies. The oscillations feature a precession of the vortex core and synchronized Kelvin-Helmholtz instabilities in the shear layers. Based on the mean flow fields, local and global linear hydrodynamic stability analyses are carried out. The dampening effect of the Reynolds stresses is accounted for by an eddy viscosity estimated from the experimental results. Both the local and the global analysis successfully identify linear global modes as being responsible for the large-scale flow oscillations and successfully predict their frequency. However, only the global analysis accurately predicts a globally stable flow field for the case without the oscillation, while the local analysis overpredicts the global growth rate. The predicted spatial distribution of the amplitude functions agree very well to the experimentally identified global mode. This successful application of global and local stability concepts to a complex and practically relevant flow configuration paves the way for the application of theoretically-founded passive and active control strategies.
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The ultrafast ring-opening reaction of photochromic fulgides proceeds via conical intersections to the ground state isomers involving activation barriers in the excited state. The coherent oscillations observed in the femtosecond transient absorption signal of a methyl-substituted indolylfulgide were analysed in the framework of vibrational wavepackets to expose a dominant low-frequency mode at similar to 80 cm(-1). The quantum chemical calculations in the relaxed excited state geometry of this fulgide revealed that the experimentally observed vibrational normal mode has a dominant contribution to the relevant ring-opening reactive coordinate.
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Oscillators
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This thesis discusses the dynamics of quantum-optical systems located in complex, non-markovian photonic environments, using numerical simulations as well as analytical derivations. The main focus lies on time-delayed quantum-coherent feedback effects of the Pyragas type, in analogy to effects well-known in classical physics. Time-delayed feedback is treated as a specific kind of a non-markovian environment. Additionally, the control of qubit entanglement in optical cavities is studied. The thesis consists of three main parts: After an overview of the important concepts of quantum optics, advanced methods for the description and numerical treatment of time-delayed quantum-coherent feedback are presented. The main focus lies on the development of a pseudomode-based approach, which describes time-delayed feedback as the coupling to a complex network of lossy harmonic oscillators. Additionally, further methods for numerical simplification are presented, in particular nonlinear expectation value dynamics for the treatment of arbitrary non-markovian reservoirs, as well as the use of input-output theory for time-delayed feedback. In the second part, applications of time-delayed feedback to control quantum statistics are discussed. First it is demonstrated that time-delayed feedback can be used to create and sustain entanglement between coupled qubits. This approach will then be extended to larger networks of qubits. Afterwards, feedback control is applied to nonlinear quantum-optical systems: It is shown how to use it for the stabilization of Fock states in a cavity containing a Kerr medium, and this analysis is expanded to a cavity containing a two-level system. Furthermore, it is shown how time-delayed feedback can be used to control and enhance the entanglement of photons emitted in a biexciton cascade. In the third and last part, the non-equilibrium dynamics of qubits coupled to a photonic environment consisting of high-Q cavities subject to periodic driving are discussed. First, the connection between bistability and entanglement in a cavity containing two qubits is analyzed. Next a setup of two coupled cavities, containing a qubit each, is examined. The influence of a third cavity in between the two other cavities, simulating a delay line, is analyzed. Furthermore, a protocol is developed on how to overcome dephasing between the two qubits, using a resonant Raman scattering process. It is shown that this protocol can create and sustain high values of entanglement, and is ready to be extended to systems of more than two qubits.,Diese Arbeit behandelt die Dynamik quantenoptischer Systeme in komplexen, nicht-markovschen photonischen Umgebungen mit Hilfe numerischer Simulationen und analytischer Rechnungen. Der Schwerpunkt liegt auf Effekten von zeitverzögerter quanten-koheränter Rückkopplung vom Pyragas-Typ, in Analogie zur Pyragas-Kontrolle in klassischen nichtlinearen Systemen. Zeitverzögerte Rückkopplung wird in dieser Arbeit als eine spezielle Art einer nicht-markovschen Umgebung behandelt. Am Ende der Arbeit wird außerdem die Kontrolle von Qubit-Verschränkung in optischen Kavitäten behandelt. Diese Arbeit ist in drei Teile gegliedert: Nach einer Übersicht über die wichtigsten Konzepte der Quantenoptik werden neue fortgeschrittene Methoden zur Beschreibung und numerischen Simulation von zeitverzögerter Rückkopplung präsentiert. Ein Pseudomoden-basierter Ansatz wird entwickelt, der Rückkopplung als Kopplung zu einem Netzwerk von harmonischen Oszillatoren beschreibt. Zudem wird eine Methode präsentiert, mit der durch nichtlineare Terme die numerische Simulation nicht-markovscher Umgebungen vereinfacht werden kann. Auch die Verwendung der Input-Output-Theorie für zeitverzögerte Rückkopplung wird behandelt. Im zweiten Teil werden Anwendungen von zeitverzögerter Rückkopplung diskutiert. Zuerst wird die Erzeugung von Verschränkung in zwei gekoppelten Qubits analysiert. Diese Methode wird auf Qubit-Netzwerke verallgemeinert. Zeitverzögerte Rückkopplung wird daraufhin auf nichtlineare quantenoptische Systeme angewendet und die Stabilisierung von Fock-Zuständen in einer Kavität mit Kerr-Medium gezeigt. Die Resultate werden auf eine Kavität mit angekoppeltem Zweiniveausystem übertragen. Schließlich wird der Einfluss von zeitverzögerter Rückkopplung auf die Verschränkung von Photonen aus einer Biexzitonkaskade diskutiert. Im dritten Teil der Arbeit werden Qubits, die an eine oder mehrere Kavitäten gekoppelt sind, behandelt. Der Zusammenhang von Verschränkung und Bistabilität im Falle zweier Qubits in einer Kavität wird analysiert. Daraufhin wird ein System aus zwei gekoppelten Kavitäten, die je ein Qubit beinhalten und kohärent gepumpt werden, analysiert. Der Einfluss einer dritten Kavität, die eine verzögerte Kopplung modelliert, wird diskutiert. Schließlich wird ein Protokoll präsentiert, mit dem, basierend auf resonanter Raman-Streuung, die Dephasierung zwischen Qubits verringert werden kann. Es wird gezeigt, dass dieses Protokoll zu hohen Qubit-Verschränkungen führt und auch auf mehr als zwei Qubits erweitert werden kann.,
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Wie allgemein bekannt, haben Oszillatoren in Kommunikationssystemen und Messgeräten einen extrem großen Einfluss auf deren Eigenschaften. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Oszillator-Typen liegen im Frequenzbereich, im Abstimmbereich und allgemein in den Spezifikationen, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden. Die wichtigsten Eigenschaften sind das Phasenrauschen, die Ausgangsleistung, der Oberwellengehalt sowie Stromverbrauch, Baugröße und Kosten. Eine spezielle Variante des Oszillators ist der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO), im Englischen voltage-controlled oscillator , welcher über einen Bereich von wenigen Prozent bis zu einem Bereich von 1:3 abgestimmt werden kann. Das Phasenrauschen und der Abstimmbereich beeinflussen sich gegenseitig. Man kann generell sagen, dass das Phasenrauschen schlechter wird, wenn der Abstimmbereich größer wird, aber eine neue hier vorgestellte Schaltungsvariante reduziert diesen Effekt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit diesem Sachverhalt und zeigt wesentliche neue Erkenntnisse. Nach der Diskussion der Oszillatortheorie und dem VCO werden der Ein- und Zweitor-Oszillator vorgestellt. Anschließend wird gezeigt, dass ein System gekoppelter Oszillatoren weniger Rauschen verursacht als der Einzel-Oszillator. Das Prinzip gekoppelter Oszillatoren ist bekannt, neu ist jedoch die Berechnung ihres Rauschverhaltens und die optimale Kopplung. Auch wird erstmalig die Betriebsgüte berechnet. Es wird gezeigt, dass sich mit zunehmender Anzahl von Oszillatoren das Rauschen um den Faktor 1/N verringert. In allen Schaltungen spielen die verwendeten Bauelemente eine große Rolle und daher werden aktive und passive Komponenten auf ihre Tauglichkeit für diese Applikationen untersucht. Nachdem der Einzel-Oszillator die dominierende Rauschquelle ist, werden zwei neue und verbesserte Oszillatoren vorgestellt: 1) ein Oszillator mit mehreren Resonatoren für die Frequenzbereiche (1000-2000/ 2000- 4000 MHz und 1500-3000/3000-6000 MHz) 2) ein Oszillator mit extrem großen Abstimmbereich (320-1120 MHz) Die Arbeit endet mit mehreren Schaltungen, die zum Nachweis der Richtigkeit der Theorie aufgebaut und vermessen wurden, wobei Einzelheiten genauestens wiedergegeben werden. Die Arbeit enthält 75 Literaturstellen und drei Anhänge, die weitere theoretische Aspekte aufzeigen. Im Bereich der Mikrowellenfrequenzen hängen die Eigenschaften der Schaltungen von den aktiven und passiven Komponenten und dem optimalen Layout ab. Dieser Punkt wurde besonders untersucht und eine Layout-Anordnung gefunden, die beste Ergebnisse zeigte. Dafür wurde ein U.S. Copyright beantragt. Dieser Vorgang ist etwas ungewöhnlich und zeigt, wie wichtig die Layoutfragen genommen wurden. Weiterhin wurden für einige Teile der Schaltungen Patentansprüche eingereicht.,As commonly known, oscillators play a very important role in all communication and test equipment. The major differences between oscillator types are the frequency range, the tuning range, and the required specifications for the particular applications. Key requirements are phase noise, output power, harmonic contents, and others like power consumption, size, and cost. A special type of oscillator is the voltage-controlled oscillator (VCO), which can be tuned over ranges, starting from a few percent to a range of almost 1:3. Phase noise and tuning range, to a degree, are opposing requirements. As a general rule, the phase noise gets poorer as the tuning range increases. This dissertation deals with these topics and introduces several new and important issues. After discussing the oscillator theory and introducing the concept of the voltage-controlled oscillator, the one and two-port oscillators are introduced. Following this, it is shown that a system of coupled oscillators provides better phase noise than single oscillators. While the concept of synchronized oscillators is known, its phase noise calculation and coupling conditions are new. Furthermore, the operating Q is also calculated. It is further shown that by increasing the number of coupled oscillators, the overall performance of the oscillator system can be improved by the factor 1/N, and this modern circuit minimizes this effect. In the circuit the components play a major rule and therefore, both active and passive devices are looked at for their suitability. Since the individual oscillator is the major contributor, two new types of oscillators are introduced: 1) The oscillator using more than one resonator for improved phase noise (1000-2000/2000-4000 MHz and 1500-3000/3000-6000 MHz). 2) An oscillator, which exhibits a very wide tuning range (320-1120 MHz). This dissertation closes with various validation circuits, which prove that the detailed theory and the actual measurements do agree fully. Detailed insight in all of the design procedures is provided. The dissertation contains 75 literature references and three appendices, which provide additional aspects in the design process. At microwave frequencies, the actual circuit performance is largely driven by the component values and parasitic elements and the optimum layout minimizes these effects. Intensive studies were conducted to find the optimum layout configuration and a U.S. copyright was obtained for this. This in itself is a somewhat unusual procedure but it shows the importance of physical layout at microwave frequencies. This work, which was partially supported and funded by the U.S. Government Agency DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) has also resulted in a variety of patents and copyrighted layout structures.,
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frequency synthesizer
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oscillation death
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The development of modern high power laser systems allows single pass welding of thick-walled components with minimal distortion. Besides the high demands on the joint preparation, the hydrostatic pressure in the melt pool increases with higher plate thicknesses. Reaching or exceeding the Laplace pressure, drop-out or melt sagging are caused. A contactless electromagnetic weld support system was used for laser beam welding of thick ferromagnetic steel plates compensating these effects. An oscillating magnetic field induces eddy currents in the weld pool which generate Lorentz forces counteracting the gravity forces. Hysteresis effects of ferromagnetic steels are considered as well as the loss of magnetization in zones exceeding the Curie temperature. These phenomena reduce the effective Lorentz forces within the weld pool. The successful compensation of the hydrostatic pressure was demonstrated on up to 20 mm thick plates of duplex and mild steel by a variation of the electromagnetic power level and the oscillation frequency.
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