直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法与流程

本发明涉及空间射频场频率测量技术，具体为直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法。

背景技术：

射频场频率是射频场测量的重要内容。目前测量射频的方法就是利用标准频率与被测频率进行比较。主要包括有源法和无源法两种：有源法是指在测量仪器中包含一个标准频率的振荡源。无源法是指被测信号的频率与一个可调谐的无源回路的自然频率进行比较，将谐振出现作为频率相等的指示，比如利用一个射频场谐振腔。通常被利用比对的常用的基准频率通常是几兆-几十兆赫兹，当待测频率达到100GHz以上，所需的倍频或分频电路会变得很复杂，同时将引入很大的测量不确定度。无源法中测量精度也依赖于的谐振腔并且测量仪器的基准频率也需要进行校准，这将带来的额外的花费。

技术实现要素：

本发明提供一种直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法。利用原子的相干效应，通过测量原子光谱分裂峰高度的比值，获得射频场频率。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法，包括如下步骤：（a）、将一束频率共振于碱金属原子基态至第一激发态能级跃迁线的激光作为探测光，将该探测光分成两束强度相同的线偏振的平行光后均由同一侧入射至内部充有碱金属原子蒸汽的原子气室内，两束平行的探测光与碱金属原子作用后从原子气室另一侧透射并同时被差分探测器探测；（b）、引入一束耦合光，共振于碱金属原子的第一激发态至某个里德堡态nl，该耦合光由原子气室的另一侧入射至原子气室且与其中一束探测光反向共线；（c）、扫描耦合光频率，差分探测器就可以获得关于探测光的无多普勒背景的透射光谱；（d）、将此原子气室置于待校准的射频电场空间内，选择碱金属原子的里德堡态nl到另一个里德堡态n’l’的共振跃迁频率在射频电场频率附近，碱金属原子原有的阶梯型三能级就变为四能级体系，这时差分探测器获得的探测光的透射光谱将发生双峰分裂得到两个透射峰；调整产生射频场的射频源的频率，当透射光谱中两个透射峰高度的比值为1时，说明此时射频场的频率严格对应于碱金属原子里德堡态nl和n’l’的共振跃迁频率，此时射频场频率值就可以被有效直接溯源至原子跃迁频率；（e）、将产生射频场的射频源显示的频率与步骤（d）所得到的频率值进行对比并对射频源进行校准，就实现了将射频源频率直接溯源至原子的跃迁频率。

本发明所述方法使用了碱金属原子的相邻里德堡态的能级间隔，里德堡态的能级间隔可以覆盖射频1-1000GHz。因此该方法具有相当大的频率测量范围。

本发明所述方法的工作原理如下：高激发态（Rydberg）原子通常指外层一个电子被激发到高量子态（主量子数n很大）的原子。高激发态原子具有原子半径大、能级间隔小、相邻里德堡态之间的跃迁偶极矩很大、因此对外电场特别敏感，非常适用于对射频场电场的测量。

本方法涉及的实验装置如图1所示，图中1表示探测光，2表示耦合光，探测光1经过一个高反射率反射镜3导入到原子蒸汽池4。5是特殊镀膜的双色镜，对探测光1具有高透射率，对耦合光2具有高反射率。探测光与耦合光的直径小于200微米。探测光进入高灵敏光电探测器6（即差分探测器），获得探测光的透射信号。原子蒸汽池4具体结构如图2所示，为直径小于1mm，内径小于500微米的空心波导，内部充铯原子，7和8分别是宽镀膜的平凹透镜，镀膜宽度覆盖探测光和耦合光的波长，用于将探测光和耦合光耦合至空心波导内部。

如图3是本方法涉及的激光和能级示意图。第一激发光为频率共振于铯原子6S_1/2至6P_3/2的探测光，第二激发光为频率可调谐的耦合激光，通常在6P_3/2至某个里德堡态nl共振频率附近扫描。当不存在射频电场时，固定第一激发光的频率，扫描第二激发光的频率，探测第一激发光的透射率，可以观察到单个透射峰的透射光谱，透射峰出现在第二激发光频率等于6P_3/2至某个里德堡态nl的共振频率处，如图3所示。当射频场加入后，原有的阶梯型三能级变为四能级体系。对于处于初始里德堡态nl的原子，合适频率的射频电场可以耦合相邻的里德堡态n’l’。此时可以将两个里德堡态看作一个二能级体系和射频电场的相互作用，这个系统存在两个本征能量：，其中Δ_R是射频电场频率与两个里德堡态共振频率的失谐量，W_R是作用在两个里德堡态上的射频电场的拉比频率，其大小正比于射频电场的电场强度。这两个本征能量可以看做是里德堡态nl的能级分裂。对于上述的两个本征能量值，如果射频电场频率与两个里德堡态能级间隔共振，即Δ_R=0，则能级分裂对称分布于里德堡态nl两侧。如果存在失谐，则根据失谐量的大小和正负，两个分裂峰的不对称分布于里德堡态nl两侧。

针对三能级体系的探测光透射率正比于下面的公式：

，

Δ_p是探测光频率对6S_1/2到6P_3/2共振频率的失谐。本方案中设置Δ_p为0，Δ_c是耦合光频率与6P_3/2到里德堡态nl的失谐，当射频电场加入后，表示耦合光频率到分裂本征能量的失谐。Wp是探测光的拉比频率，Wc是耦合光的拉比频率，g₂₁表示6P_3/2到6S_1/2的辐射率，g₃₁表示里德堡态nl到6S_1/2的辐射率。本方法中通过扫描第二激发光，可以得到第一激发光的透射峰光谱。

如果射频电场的频率与两个里德堡态nl和n’l’的共振跃迁频率相等，上述的分裂对称分布于里德堡态nl两侧，透射峰透射率相等，即两个透射峰的高度一致，如图4所示。如果射频电场的频率失谐于两个里德堡态nl和n’l’的共振跃迁频率，根据频率大于或小于共振跃迁频率，可以看到不同的透射峰特征，如图5和图6所示。因此本方法可以通过选择合适的里德堡态，使得待测射频频率可以在里德堡跃迁频率附近，此时通过拟合两个透射峰的特征参数，可以准确的将待测射频的频率有效溯源至原子能级跃迁线。

采用本发明所述方法，可以实现对射频场发射频率的测量和校准；尤其对于发射频率较宽的射频场，可以通过改变里德堡态（通过改变耦合光频率就可以实现），以校准不同的射频场频率。在0-1000GHz内，通过选择里德堡态，可以实现全覆盖，但是有效使用的频点是离散的。校准点可以非常多。具有很好的测量准确度和自校准特性。

附图说明

图1是本发明所述的直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法的实验装置结构示意图。

1-探测光，2-耦合光，3-高反射率反射镜，4-原子蒸汽池，5-双色镜，6-光电探测器。

图2是本发明所述的原子气室的结构示意图。为了避免对高频射频场的扰动，原子气室为圆柱形空心波导结构，直径小于1mm。内部包含铯蒸气，两段为平凹透镜进行密封，同时将探测光和耦合光耦合至空心波导内部，透镜进行852nm和510nm高透射率（0度光入射）镀膜处理。7-第一平凹透镜，8-第二平凹透镜。

图3 为所述的高激发态原子能级以及涉及激光、射频场的示意图。

图4~图6为在不同射频场频率下测得的EIT分裂光谱。图4射频场频率共振于里德堡态nl和n’l’的能级间隔；图5射频场频率失谐于里德堡态nl和n’l’的能级间隔-50MHz；图6射频场频率失谐于里德堡态nl和n’l’的能级间隔+50MHz。

具体实施方式

一种直接溯源至原子高激发态间跃迁频率的射频源校准方法，其特征在于，包括如下步骤：（a）、将一束频率共振于碱金属原子基态至第一激发态能级跃迁线的激光作为探测光，将该探测光分成两束强度相同的线偏振的平行光后均由同一侧入射至内部充有碱金属原子蒸汽的原子气室内，两束平行的探测光与碱金属原子作用后从原子气室另一侧透射并同时被差分探测器探测；（b）、引入一束耦合光，共振于碱金属原子的第一激发态至某个里德堡态nl，该耦合光由原子气室的另一侧入射至原子气室且与其中一束探测光反向共线；（c）、扫描耦合光频率，差分探测器就可以获得关于探测光的无多普勒背景的透射光谱；（d）、将此原子气室置于待校准的射频电场空间内，选择碱金属原子的里德堡态nl到另一个里德堡态n’l’的共振跃迁频率在射频电场频率附近，碱金属原子原有的阶梯型三能级就变为四能级体系，这时差分探测器获得的探测光的透射光谱将发生双峰分裂得到两个透射峰；调整产生射频场的射频源的频率，当透射光谱中两个透射峰高度的比值为1时，说明此时射频场的频率严格对应于碱金属原子里德堡态nl和n’l’的共振跃迁频率，此时射频场频率值就可以被有效直接溯源至原子跃迁频率；（e）、将产生射频场的射频源显示的频率与步骤（d）所得到的频率值进行对比并对射频源进行校准，就实现了将射频源频率直接溯源至原子的跃迁频率。

所述碱金属原子为铯原子，探测光频率共振于铯原子6S_1/2, F=4至6P_3/2, F’=5能级跃迁线，耦合光共振于6P_3/2, F’=5至里德堡态nl，n>>10。

探测光和耦合光的光束直径均小于200微米。

步骤（d）中通过拟合两个透射峰的特征参数，进而获得两个透射峰的高度比值。

实现本发明的装置包括探测光发生装置，探测光发生装置发射的探测光经过一个50：50分束器后等分成强度相同的两束光，两束探测光的光路上设有内充碱金属原子样品的原子蒸汽池，两束探测光由原子蒸汽池的一端入射，并从另一端透射；原子蒸汽池的另一端设有用于接收透射后的探测光的差分探测器；还包括耦合光发生装置，所述耦合光发生装置的出射光路上设有双色镜，耦合光经双色镜发射后从原子蒸汽池的另一端进入并与其中一束探测光反向共线；探测光经过双色镜之后被差分探测器采集，进而输入至计算机系统，得到透射光谱。

针对校准频率1000GHz的要求，原子蒸汽池4为外径0.3-1mm，内径为0.02-0.5 mm的空心波导，内部充铯原子蒸汽，空气波导的两个入射为宽镀膜的平凹透镜，镀膜宽度覆盖探测光和耦合光的波长。