利用双暗态系统测量微波电场的方法与流程

本发明涉及一种微波电场测量方法。

背景技术：

近年来，基于里德堡原子的电场测量是当前微波电场精密测量领域的研究热点问题。由于具有大的极化率、低的电离阈值和大的电偶极距，对外部电磁场十分敏感，可以用来测量电场强度特别是微波电场强度。2012年，sedlacek等人在铷泡中使用原子共振法进行电场测量，理论上说，用这方法可以测量小于100nm/cm的微波电场，而实验中测量最小电场强度为8μv/cm。2016年，simons等人在里德堡原子中利用频率失谐法来提高探测电场的灵敏度。用频率失谐法测量电场的敏感性是共振at分裂法的2倍。以上测量微波电场大都采用的是四能级系统，采用的原子跃迁路径是5s1/2(f＝1)→5p3/2→53d5/2→54p3/2，在没有微波场的作用下，原子跃迁路径为5s1/2→5p3/2→53d5/2，这是一种级联型电磁诱导透明(electromagneticallyinducedtransparency简称eit)单暗态系统，加入微波场后，耦合态矢53d5/2→54p3/2，会使透射峰发生分裂，利用透射峰之间的间距与微波场强度之间的线性关系来实现对微波电场的测量。以上利用eit的微波电场探测方案是基于单暗态系统，干涉效应压窄透射峰线宽效果有限，导致测量精度和灵敏度有限。

中国专利申请cn104880614a公开了一种基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法，微波电场强度计包括：真空系统，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团，该冷原子团用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；激光器，用于产生耦合光和探测光，将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；光电探测器，用于探测两束冷原子团因相干性而产生的干涉条纹；所述微波源，用于产生微波电场。微波电场强度计在相干分束与合束之间的演化过程中，让处在里德堡态的原子团与待测微波电场作用，产生交流斯塔克效应，将待测微波电场强度与交流斯塔克产生的相位关联起来，从而实现微波电场的精密测量。该专利申请的原理是利用微波场引起的干涉条纹位移与无微波场的条纹位移差表征微波电强度，能级结构为单电磁诱导透明(eit)系统，其利用冷原子里德堡态相干时间长提高探测精度，但是需要复杂的冷却装置结构，且测量精度有限。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出了利用双暗态系统测量微波电场的方案。通过另一控制光场耦合辅助跃迁5s1/2(f＝2)→5p3/2)，形成双暗态系统，暗态间相互作用极大地改变里德堡原子的吸收和色散特性，可极大的压窄透射峰线宽提高探测精度。该方法可以在室温下操作，测量精度和可调性均优于以上eit单暗态方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用双暗态系统测量微波电场的方法，包括以下实验步骤：

1)由外腔半导体激光器提供780nm的激光先通过二向色镜分成两束光一束作为探测光，另一束作为控制光，它们分别经过半波片和偏振分束器同向进入铷原子汽室；

2)两个半波片分别调节探测光场和耦合光场的入射光强，使得控制场>>探测场；

3)将探测光锁定在铷里德堡原子5s1/2(f＝1)→5p3/2跃迁线上，将控制光锁定在铷里德堡态原子5s1/2(f＝2)→5p3/2跃迁线上；

4)倍频激光器提供波长为480nm耦合光，调节480nm耦合光在能级5p3/2→53d5/2共振频率耦合；

5)由微波模拟信号发生器提供频率范围10khz-10ghz且功率可调的微波信号，耦合里德堡原子53d5/2→54p3/2之间的跃迁，导致里德堡原子的电磁诱导透明系统的透射峰发生分裂；

6)最后用光电探测器检测探测光的吸收特性，由透射峰线宽间距表征微波信号的电场强度。

所述步骤1)中的探测光的偏振为垂直偏振，耦合光的偏振为水平偏振。

所述双暗态系统是在四能级系统基础上，加以辅助能级态矢5s1/2(f＝2)耦合态矢5p3/2构成五能级系统，从而形成双暗态系统。

上述实验步骤都是在室温条件下进行的。

本发明的有益效果是：本发明利用微波场耦合高里德堡态与邻近里德堡态原子，使得eit透射峰发生分裂，通过透射峰的间距来表征微波电场强度，本发明是在四能级系统基础上，加以辅助能级态矢5s1/2(f＝2)耦合态矢5p3/2构成五能级系统，从而形成双eit系统(双暗态)，两个暗态间的相互作用会极大地改变里德堡原子的吸收和色散特性，可极大的压窄透射峰线宽提高探测精度。理论推导可知，计算出五能级微波电场计探测电场灵敏度是四能级的7.3倍，理论可探测的最小电场能提高2个数量级。

附图说明

图1是⁸⁷rb原子五能级系统(双暗态系统)能级图；

图2是在不同射频场下ωrf为0.5ghz、0.3ghz、0.1ghz，微波信号与at分裂间隔δf的关系图；

图3是射频场与透射峰间距关系拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

利用双暗态系统测量微波电场的方法，包括以下步骤：

1)由外腔半导体激光器提供780nm的激光先通过二向色镜分成两束光一束作为探测光，另一束作为控制光，它们分别经过半波片和偏振分束器同向进入铷原子汽室；探测光的偏振为垂直偏振，耦合光的偏振为水平偏振；

2)两个半波片分别调节探测光场和控制光场的入射光强，使得控制场>>探测场；

3)将探测光锁定在铷里德堡原子5s1/2(f＝1)→5p3/2跃迁线上，将控制光锁定在铷里德堡态原子5s1/2(f＝2)→5p3/2跃迁线上；

4)倍频激光器提供波长为480nm耦合光，调节480nm耦合光在能级5p3/2→53d5/2共振频率耦合；

5)由微波模拟信号发生器提供频率范围10khz-10ghz且功率可调的微波信号，耦合里德堡原子53d5/2→54p3/2之间的跃迁，导致里德堡原子的电磁诱导透明系统的透射峰发生分裂；

6)最后用光电探测器检测探测光的吸收特性，由透射峰线宽间距表征微波信号的电场强度。

上述实验步骤都是在室温条件下进行的。

如图1所示，双暗态系统是在四能级系统基础上，加以辅助能级态矢5s1/2(f＝2)耦合态矢5p3/2构成五能级系统，从而形成双暗态(双eit)系统。两个暗态间的相互作用会极大地改变里德堡原子的吸收和色散特性，可极大的压窄透射峰线宽提高探测精度，图1中，probelaser是探测光，couplinglaser是耦合光，mwelectricfield是微波场。

上述实验方法的理论模拟如下：

由密度矩阵，在旋转波近似的情况下求得线性极化率χ⁽¹⁾：

n是原子数密度，为1.4×10²⁷m^-3，λp是探测光场的波长，为780nm，δp是探测场跃迁的失谐量，ωp是探测场的拉比频率，ωc1、ωc2分别是780nm控制光、480nm耦合光的拉比频率ωc1＝ωc2＝10ghz，γ41是态矢5p3/2到态矢5s1/2(f＝1)的衰减速率，γ41自发辐射的衰减速率，i代表虚数符号，ωrf代表微波源的拉比频率。

通过上述函数关系，可以得到极化率随射频场的吸收色散关系，图2是在不同射频场下ωrf为0.5ghz、0.3ghz、0.1ghz，微波信号与at(autler-townes效应简称at)分裂间隔δf的关系，图2中，eitsignal代表eit信号，probedetuning代表探测光失谐量。

通过图2以及大量模拟数据，关于射频场与透射峰间距关系，拟合成一条曲线(图3)，从曲线可以看出透射峰间隔与微波信号角频率成正比例关系(该五能级系统微波电场计可探测频谱范围10khz-10ghz电场，为了直观的显示透射峰间隔与微波信号成线性关系，选取频谱范围0.1ghz-1ghz测量)，且ωrf＝1.4δf，erf代表微波电场强度，是普朗克常量，大小为1.054571628×10^-34j·s，是里德堡态跃迁矩阵元，大小为3611ea0，e为电子电荷，a0是玻尔半径，δf代表透射峰间距)用此方关系式可求得微波电场场强，而之前他人做的四能级系统微波电场计，λp是探测场波长，λc是耦合光波长，λp/λc＝1.625，探测灵敏度为30μv·cm^-1·hz^-1/2。可以算出五能级微波电场计探测电场灵敏度是四能级的7.3倍。理论可探测的最小电场1nm/cm,是四能级系统的100倍。经验证，该理论模拟结果与实验结果是一致的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。