一种微波电场强度测量方法及测量装置与流程

本发明涉及一种微波电场强度测量方法及测量装置。

背景技术：

2012年，美国oklahoma大学的shaffer研究组与德国stuttgart大学的pfau研究组合作首次利用里德堡原子eit和at(autler-townes)分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μvcm¹，灵敏度为30μvcm^-1hz^-1/2,远优于传统偶极天线微波电场计。紧接着在2013年，他们又在原来的实验基础上实现了微波偏振方向的测量，偏振测量精确度为0.5°。2014年，美国国家标准与技术研究院(nist)实验上实现了从15ghz到105ghz的高精度微波电场测量和高分辨率的亚波长微波电场成像。

但是，根据目前的实验测量和理论分析表明，基于里德堡原子eit慢光效应的微波电场测量精度受限于探测光透明窗口的宽度，探测光透明窗口的宽度则受到激光线宽、渡跃展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素的影响。因此，实有必要提出一种技术手段，以进一步提高测量的灵敏度，一方面可以提高激光的稳定性，另一方面可以提高测量的精度。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种微波电场强度测量方法及测量装置，以利用冷里德堡原子的拉曼吸收峰的窄线宽特点实现提高微波电场强度测量精度的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种微波电场强度测量方法，包括如下步骤：

激光器产生的耦合光和探测光将真空设备中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；

以基态和里德堡态作为拉曼效应的两个内态，选择合适的失谐量，将微波源产生的微波施加到冷原子上，使冷原子的拉曼吸收峰发生劈裂；

测量拉曼吸收峰的劈裂宽度，根据劈裂宽度计算微波源的电场强度。

进一步地，所述电场强度的计算公式如下：

e＝hδv/μ

其中，h为普朗克常数，δv为拉曼吸收峰的劈裂宽度，μ为里德堡原子的跃迁偶极矩。

进一步地，选择合适的失谐量的步骤为：锁定激光器的频率，然后通过声光调制器来调节激光的频率，即调节失谐量的大小。

为达到上述目的，本发明还提供一种微波电场强度测量装置，包括光电探测器、真空设备、第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、双色镜、微波源、示波器，所述光电探测器、第一激光器、第二激光器和微波源的发射方向均朝向所述真空设备，第一声光调制器设置在第一激光器和真空设备之间，第二声光调制器及双色镜设置在第二激光器和真空设备之间，示波器与光电探测器连接；所述微波源用于产生微波电场；所述真空设备用于制备冷原子气体，冷原子气体使通过其中的探测光发生拉曼效应；所述第一激光器用于产生探测光；所述第二激光器用于产生耦合光；所述第一声光调制器用于调节第一激光器产生的探测光的频率；所述第二声光调制器用于调节第二激光器产生的耦合光的频率；耦合光经双色镜反射后进入真空设备，将真空设备中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；探测光通过真空设备后，经双色镜透射进入光电探测器；所述光电探测器用于探测冷原子因拉曼效应而产生的拉曼吸收峰；所述示波器用于测量拉曼吸收峰的劈裂宽度；根据拉曼吸收峰的劈裂宽度即可计算出微波电场的电场强度。

进一步地，所述电场强度的计算公式如下：

e＝hδv/μ

其中，h为普朗克常数，δv为拉曼吸收峰的劈裂宽度，μ为冷原子的跃迁偶极矩。

进一步地，所述真空设备为玻璃真空腔。

进一步地，所述冷原子为铷原子。

进一步地，所述第一激光器产生的探测光波长为780nm。

进一步地，所述第二激光器产生的耦合光波长为480nm。

与现有技术相比，本发明的微波电场强度测量方法及测量装置是基于冷里德堡原子操控的技术，利用了拉曼效应抑制自发辐射实现窄线宽的吸收峰劈裂的特点，通过测量拉曼吸收峰的劈裂宽度，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场的精密测量研究提供新技术基础。

附图说明

图1为本发明一种微波电场强度测量装置的系统架构图；

图2为冷原子的能级结构示意图；

图3为待测微波电场强度的理论模拟示意图；

图4为本发明微波电场强度测量方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种微波电场强度测量装置的系统架构图。如图1所示，本发明一种微波电场强度测量装置，包括光电探测器1、真空设备2、第一激光器4、第二激光器6、第一声光调制器7、第二声光调制器8、双色镜9、微波源5、示波器。

其中，光电探测器1、第一激光器4、第二激光器6和微波源5的发射方向均朝向真空设备2；第一声光调制器7设置在第一激光器4和真空设备2之间，第二声光调制器8及双色镜9设置在第二激光器6和真空设备2之间，示波器与光电探测器1连接。微波源5用于产生微波电场；真空设备2用于制备冷原子气体3，冷原子气体3使通过其中的探测光发生拉曼效应。第一激光器4用于产生探测光；第二激光器6用于产生耦合光；第一声光调制器7用于调节第一激光器4产生的探测光的频率；第二声光调制器8用于调节第二激光器6产生的耦合光的频率；耦合光经双色镜9反射后进入真空设备2，将真空设备2中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；探测光通过真空设备2后，经双色镜9透射进入光电探测器1；光电探测器1用于探测冷原子因拉曼效应而产生的拉曼吸收峰；示波器用于测量拉曼吸收峰的劈裂宽度。

本发明微波电场强度测量装置的基本工作原理是：首先利用第二激光器6产生的强耦合光使真空设备2中的冷原子的中间态和里德堡态发生拉曼效应，再加入微波电场的作用，实现拉曼吸收峰的劈裂，最后通过探测拉曼吸收峰的劈裂宽度，即可完成微波电场的电场强度测量。

在本发明具体实施例中，真空设备2为玻璃真空腔，玻璃真空腔内为高真空，以减小噪声的影响，提高测量的精确度。冷原子为铷原子(rb)。第一激光器4产生的探测光为高斯光束，第二激光器6产生的耦合光用于耦合冷原子的中间态和里德堡态，微波源5产生的微波电场将里德堡态耦合到三能级系统上，形成一个四能级系统，该四能级系统包括基态能级5s1/2，中间态5f3/2和两个里德堡态。

图2为冷原子的能级结构示意图。6(|0>＝5s1/2)和11(|1>＝53d5/2)分别为冷原子的基态和里德堡态(作为拉曼效应的两个内态)，12(5p3/2)为冷原子的一个基态能级，作为辅助能级；14为波长480nm的耦合光，15为波长780nm的探测光，作用是将冷原子激发到里德堡态；13(|3>＝54p3/2)为一个辅助里德堡态；16为作用在里德堡态11和辅助里德堡态13之间的微波电场，上述s、p和d表示轨道角动量分别为0、1、2的原子内态。

图3为待测微波电场强度的理论模拟示意图。通过实验选择合适的失谐量δ，将微波电场施加到冷原子上，使冷原子的拉曼吸收峰发生劈裂，通过测量拉曼吸收峰的劈裂宽度，即可求出待测微波电场的电场强度。电场强度的计算公式如下：

e＝hδv/μ

其中，h为普朗克常数，δv为拉曼吸收峰的劈裂宽度，μ为冷原子的跃迁偶极矩。

图4为本发明微波电场强度测量方法的流程图。本发明微波电场强度测量方法的主要思想是将微波电场强度的测量，转化为拉曼吸收峰劈裂宽度的测量，包括如下步骤：

步骤301，激光器产生的耦合光和探测光将真空设备中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；

步骤302，以基态和里德堡态作为拉曼效应的两个内态，选择合适的失谐量，将微波源产生的微波施加到冷原子上，使冷原子的拉曼吸收峰发生劈裂；

步骤303，测量拉曼吸收峰的劈裂宽度，根据劈裂宽度计算微波源的电场强度。

电场强度的计算公式如下：

e＝hδv/μ

其中，h为普朗克常数，δv为拉曼吸收峰的劈裂宽度，μ为冷原子的跃迁偶极矩。

通过实验选择合适的失谐量δ的具体步骤为：锁定激光器的频率，然后通过声光调制器来调节激光的频率，也就是调节失谐量的大小。

综上所述，本发明一种微波电场强度测量装置及方法是基于冷里德堡原子操控的技术，利用了拉曼效应抑制自发辐射实现窄线宽的吸收峰劈裂的特点，通过测量拉曼吸收峰的劈裂宽度，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场的精密测量研究提供新的技术基础。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明根据拉曼效应抑制自发辐射的特点，压窄了吸收峰的宽度，通过对拉曼吸收峰劈裂宽度的测量，能将微波电场测量精度提高一个数量级，从而为微波电场的精密测量研究提供新的技术基础。

2、本发明适用于冷原子体系，方法简便，易于实现。

3、本发明根据里德堡原子态本身所具有的特性，如谱线的自然宽度较窄、能级寿命长、从高里德堡态自发跃迁到比较低的态的几率小、在弱电场中依旧具有较大的电偶极矩等，可以在较弱的电场下产生较强的相互作用，提高微波电场测量精度。

4、本发明具有自动校准，对待测微波电场干扰较小，不依赖于探头的物理尺寸等优势，对于当前器件小型化的时代，具有广阔的应用前景和科研价值。

任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。