基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置与流程

本发明涉及射频电场的校准技术，尤其涉及一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置。

背景技术：

射频电场的精密测量在基础科学研究和军事科技等领域具有重大的意义。要实现射频电场的精确测量，需要有精确的参考标准。传统的射频电场测量仪器，比如场强仪和频谱仪等，是将其放在一个已知场强的电场里进行校准，但是这个已知电场的场强又是被一个校准过的探头测量得到的，这样对电场的校准就进入了一个循环过程，而且被校准的探头一般为金属制造，金属探头会对待测电场产生干扰，使得测量的电场误差较大。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有的射频电场校准方法和装置在射频电场校准过程中存在的测量误差大的技术问题，提供一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置。通过测量射频电场调制的里德堡原子电磁感应透明光谱，选择谱线中的能级交叉点作为校准电场的基准点。所述方法是基于原子的能级结构进行的自校准，对待测电场没有干扰，不依赖于探头的物理尺寸。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法，包括如下步骤：

(a)将装有一对平行电极板的玻璃铯泡作为铯原子样品池；

(b)第一激光光源发出波长852nm的激光作为探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态|g>和第一激发态|e>两个能级的共振位置，探测光经过高反射率反射镜从铯原子样品池的一端入射到铯原子样品池中，作用于铯原子的基态|g>和第一激发态|e>，透过铯原子样品池的探测光通过双色镜入射到光电探测器上进行探测；第二激光光源发出波长510nm的激光作为耦合光，耦合光通过双色镜从铯原子样品池的另一端入射进铯原子样品池中，与探测光在铯原子样品池中的两平行电极板间反向重叠，耦合光耦合铯原子的第一激发态|e>与里德堡nD_5/2能级|r>；所述第一激光光源和第二激光光源发出的两种激光频率应满足铯nD5/2态里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件；

(c)扫描510nm耦合光的频率，使光电探测器获得852nm探测光的无多普勒背景的电磁感应透明光谱；

(d)射频源在电极板的接线端加一个弱的射频电场，使(c)步骤中所得的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，在Stark光谱中，磁量子数m_j＝5/2的Stark光谱与磁量子数m_j＝1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉点，每个能级交叉点作为一个校准射频电场的基准点，每一个基准点对应一个精确的射频电场值；

(e)利用确定的射频电场值对电场测量仪器进行校准，然后用校对过的电场测量仪器对射频电场进行测量，从而实现射频电场的校准。

进一步地，所述射频源的频率范围为1MHz-1GHz。

本发明还提供了一种用于基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法的装置，包括铯原子样品池、第一激光光源、第二激光光源、射频源、高反射率反射镜、双色镜和光电探测器，所述铯原子样品池是装有一对平行电极板的玻璃铯泡，平行电极板的两个接线端裸露在铯原子样品池的外面，所述第一激光光源和高反射率反射镜设在铯原子样品池的一侧，所述第二激光光源和双色镜设在铯原子样品池的另一侧，所述高反射率反射镜和双色镜的正面与水平面成45度夹角，所述射频源的两个接线分别与平行电极板的两个接线端相连接，所述光电探测器设在双色镜反面的一侧。

本发明的有益效果是：本发明采用射频电场调制的里德堡原子电磁感应透明效应谱线中的能级交叉点，作为校准电场的基准点，实现了基于原子参数进行的自校准，克服了传统电场校对方法误差大的缺点，整个方法实现起来十分简单。采用装有铯原子的蒸气池作为介质，对待测电场没有干扰，不依赖于探头的物理尺寸，装置十分简便，易于实现微型化，适于集成化和广泛推广。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是实现本发明所述的基于里德堡原子三能级系统电磁感应透明的双光子共振激发示意图；

图3是本发明基于射频电场调制的里德堡能级示意图；

图中：λc为耦合光的波长，λp为探测光的波长。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本实施例中的一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法，包括如下步骤：

(a)将装有一对平行电极板的玻璃铯泡作为铯原子样品池1；

(b)第一激光光源2发出波长852nm的激光作为探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态|g>和第一激发态|e>两个能级的共振位置，探测光经过高反射率反射镜5从铯原子样品池1的一端入射到铯原子样品池1中，作用于铯原子的基态|g>和第一激发态|e>，透过铯原子样品池1的探测光通过双色镜6入射到光电探测器7上进行探测；第二激光光源3发出波长510nm的激光作为耦合光，耦合光通过双色镜6从铯原子样品池1的另一端入射进铯原子样品池1中，与探测光在铯原子样品池1中的两平行电极板间反向重叠，耦合光耦合铯原子的第一激发态|e>与里德堡nD_5/2能级|r>；所述第一激光光源2和第二激光光源3发出的两种激光频率应满足铯nD5/2态里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件；

(c)扫描510nm耦合光的频率，使光电探测器7获得852nm探测光的无多普勒背景的电磁感应透明光谱；

(d)射频源4在电极板的接线端加一个频率为100MHz的射频电场，使(c)步骤中所得的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，在Stark光谱中，磁量子数m_j＝5/2的Stark光谱与磁量子数m_j＝1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉点，每个能级交叉点作为一个校准射频电场的基准点，每一个基准点对应一个精确的射频电场值；

(e)利用确定的射频电场值对电场测量仪器进行校准，然后用校对过的电场测量仪器对射频电场进行测量，从而实现射频电场的校准。

所述射频源4的频率范围为1MHz-1GHz。

如图1所示，用于上述实施例中的基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法的装置，包括铯原子样品池1、第一激光光源2、第二激光光源3、射频源4、高反射率反射镜5、双色镜6和光电探测器7，所述铯原子样品池1是装有一对平行电极板的玻璃铯泡，平行电极板的两个接线端裸露在铯原子样品池1的外面，所述第一激光光源2和高反射率反射镜5设在铯原子样品池1的一侧，所述第二激光光源3和双色镜6设在铯原子样品池1的另一侧，所述高反射率反射镜5和双色镜6的正面与水平面成45度夹角，所述射频源4的两个接线分别与平行电极板的两个接线端相连接，所述光电探测器7设在双色镜6反面的一侧。

铯原子样品池1内部装有一对平行的电极板，铯原子样品池1被抽真空后充入铯原子样品。这样可以避免里德堡原子的自电离效应对外场产生的屏蔽效应，提高测量精度。

高反射率反射镜5选用对852nm的探测光具有高反射率的全反镜(福州逐日光电科技有限公司生产)，双色镜6选用对852nm的探测光具有高透射率、对510nm的耦合光具有高反射率的二向色镜(福州逐日光电科技有限公司生产)。