一种连续频率的原子微波混频装置及方法

1.本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种连续频率的原子微波混频装置及方法。


背景技术：

2.近年来，对于可溯源至基本物理量的量子精密测量领域有了快速发展。2019年1月份美国科罗拉多大学的matthew t.simons等人利用里德堡原子作为混频器将20ghz的射频电场变频到khz量级的中频来测量射电场相位的方案，而中频的相位直接对应于射频电场的相位。2019年8月份美国国家标准与技术研究院(nist)在原子蒸汽式中嵌入平行板波导，实现了对射频场幅度、相位以及调制信号的检测。2020年6月份山西大学的jing等人结合经典的超外差方法，通过微波缀饰下的里德堡探头实现微波的相位与频率的测量，将电场灵敏度提高了约38倍。
3.目前，实验测量和理论分析表明，原子微波混频方法只能测量点频率，并且微波耦合里德堡态的失谐量δ很小，不利于现实中应用。因此，实有必要提出一种技术手段，利用一个五能级的里德堡eit系统，通过对单光子大失谐的操控来实现对载波的连续频率测量，并通过带有背敷共面波导的电路装置小型化测量装置，以进一步提高微波场测量的效率与精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，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连续频率的原子微波混频装置及方法，利用一个五能级里德堡eit系统，通过里德堡原子作为射频信号的混频器，两束非共振的微波作为本振场耦合里德堡能级，产生at分裂，提高微波场测量精度，同时利用碱金属原子气室
‑
背敷共面波导
‑
接收天线这一体化装置实现对射频电场的连续频率测量。
5.本发明通过以下技术手段实现上述目的：
6.一方面，本发明提供一种连续频率的原子微波混频装置，包括碱金属原子气室、由共面波导组成的微波电路、接收天线、增益放大器、第一直流偏置、第二直流偏置、第一信号源、第二信号源、第一接头、第二接头、第三接头、碱金属原子、探测光与耦合光；
7.所述共面波导水平放置，置于碱金属原子气室底部；
8.所述第一接头的一端连接共面波导的上表面，另一端分别连接第一直流偏置与增益放大器；
9.所述第二接头的一端连接共面波导的背面，另一端连接第二直流偏置；
10.所述第三接头一端连接共面波导的上表面，另一端连接输出混频场的导线；
11.第一信号源产生和发出第一本振场；第二信号源产生和发出第二本振场；
12.接收天线将接收到的信号场由增益放大器放大后与两束本振场通过第一接头传输到共面波导中；
13.第一直流偏置、第二直流偏置用于消除碱金属原子气室内的噪声环境，其中第一直流偏置作用于共面波导上表面，第二直流偏置作用于共面波导的背面，通过两个直流偏置创造碱金属原子气室内零环境的直流场；
14.探测光与耦合光打入碱金属原子气室，激光光束经过共面波导上表面，最后混频场由连接第三接头的导线输出。
15.进一步地，所述共面波导为背敷金属共面波导，包括介质基片和三条导带；介质基片的上表面为接地带和一条金属导带，背面为薄的一层接地带；所述上表面的金属导带为中心带，中心带用于发射射频信号，共面波导传播的是tem波，没有截止频率；
16.所述中心带的另一侧设置有第一接头、第二接头和第三接头，第一接头的一端分别连接上表面的接地带和金属导带；第二接头的一端连接背面的接地带，第三接头的一端分别连接上表面的接地带和金属导带。
17.进一步地，所述共面波导上表面的接地带与中心带之间有细小的间隔，用于激光光束从间隔上下穿过。
18.进一步地，所述共面波导上表面的接地带与中心带两者间距为3mm。
19.进一步地，所述第一接头、第二接头和第三接头为弯sma接头。
20.另一方面，本发明提供一种连续频率的原子微波混频方法，包括：
21.通过耦合光和探测光将碱金属原子气室中的碱金属原子从基态相干激发到里德堡态，将探测光与耦合光调至合适的失谐量δ
12
、δ
23
，使其达到双光子共振条件；
22.接着两束激光光束沿着共面波导的上表面反向传播，并通过共面波导上表面中的接地带与中心带之间，由此激发气室内的里德堡原子；
23.通过接收天线将接收到的信号场由增益放大器放大后，与两束本振场通过接头传输到共面波导中；第一直流偏置和第二直流偏置用于消除里德堡原子周围的噪声环境，其中第一直流偏置作用于共面波导上表面，第二直流偏置作用于共面波导的背面，通过两个直流偏置创造碱金属原子气室内零环境的直流场；
24.通过里德堡原子混频器，将共面波导发射出的两束本振场与一个放大后的信号场混频后，第一本振场耦合里德堡能级3和4态，第二本振场耦合里德堡能级4和5态，产生eit峰分裂，通过调节失谐δ的大小来实现连续频率的测量；
25.通过探测器，检测探测光的信号；再由已知电场定标并推导出斜率|κ0|，最后通过计算得到信号场拉比频率、电场强度及相位信息。
26.进一步地，将探测光与耦合光调至合适失谐量抵消ac stark平移，其中ω
l
为本振场的拉比频率，两束本振场的拉比频率大小相等，并通过本振场与信号场耦合里德堡能级，形成一个五能级里德堡eit系统。
27.进一步地，所述定标公式如下：
[0028][0029][0030]
其中,p(t)为探测光透射率随时间t的变化，为探测光透射率初始值，γ为
eit的线宽，ω
s
是待测微波的拉比频率，δ
s
是信号场的失谐量，φ
s
为信号场的相位，|κ0|为斜率，α是参与eit过程中光子的比例，p
i
是入射光功率，l是原子气室长度，k为波矢，χ0是磁化率。
[0031]
进一步地，所述共面波导上表面的接地带与中心带之间有细小的间隔，用于激光光束从间隔上下穿过。
[0032]
进一步地，所述共面波导上表面的接地带与中心带两者间距为3mm。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0034]
1、本发明根据非共振的射频外差技术，利用两个本振场形成双光子共振，两个微波本振场都是单光子大失谐，通过调节单光子失谐量形成频率扫描的等效本振场。其次通过微波电路中的背敷共面波导提供一个高宽带载波的连续操作。该技术实用性强，便于集成化，在大大提高微波场测量精度的同时，还具有很强的实用性，既可以点频率测量也可以进行连续频率测量，突破目前单频信号接收的障碍，对于监测微波段信号有突破性的意义。这为微波电场的精密测量研究提供了一种新的技术基础与手段。
[0035]
2、本发明适用于近室温下环境，方法简单易操作，益于实用化。
[0036]
3、本发明是一种连续频率的原子微波混频装置及方法，相比于传统方法，它具有很高的灵敏度、动态范围大、测量不确定度小、连续频率测量等优势。该技术手段有希望成为下一代原子微波混频器。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明的连续频率的原子微波混频装置示意图；
[0039]
图2为热原子的能级结构示意图；
[0040]
图3为本发明里连续频率的原子微波混频方法的流程图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例1
[0043]
图1为本发明的连续频率的原子微波混频装置示意图。包括碱金属原子气室25、由共面波导27组成的微波电路23、接收天线15、增益放大器17、第一直流偏置18、第二直流偏置22、第一信号源16、第二信号源19、第一弯sma接头20、第二弯sma接头26、第三弯sma接头28、碱金属原子21、探测光6与耦合光7；
[0044]
所述共面波导27水平放置，置于碱金属原子气室25底部；
[0045]
所述第一弯sma接头20的一端连接共面波导27的上表面，另一端分别连接第一直
流偏置18与增益放大器17；
[0046]
所述第二弯sma接头26的一端连接共面波导27的背面，另一端连接第二直流偏置22；
[0047]
所述第三弯sma接头28一端连接共面波导27的上表面，另一端连接输出混频场的导线24；
[0048]
第一信号源16产生和发出第一本振场；第二信号源19产生和发出第二本振场；
[0049]
通过接收天线15将接收到的信号场由增益放大器17放大后与两束本振场通过第一sma接头传输到共面波导27中。
[0050]
第一直流偏置18和第二个直流偏置用于消除碱金属原子气室25内的噪声环境，即碱金属原子气室25中杂乱的场；其中第一直流偏置18作用于共面波导27上表面，第二直流偏置22作用于共面波导27的背面，通过两个直流偏置创造碱金属原子气室25内零环境的直流场。
[0051]
探测光6与耦合光7打入碱金属原子气室25，激光光束经过共面波导27上表面，最后混频场由连接第三接头的导线24输出，输出的混频场可与传统的外差方法对比。
[0052]
所述共面波导27为背敷金属共面波导27，特点在于它由介质基片和三条导带组成。介质基片的上表面为接地带和一条金属导带，上表面的接地带与中心带之间有细小的间隔，两者距离很近，间距约为3mm左右，可用于激光光束从间隔上下穿过。背面为薄的一层接地带。所述上表面的金属导带为中心带，中心带可用于发射射频信号，共面波导27传播的是tem波，没有截止频率。所述中心带的另一侧设置有3个弯曲的sma接头，分别为第一弯sma接头20、第二弯sma接头26、第三弯sma接头28，第一弯sma接头20的一端分别连接上表面的接地带和金属导带；第二弯sma接头26的一端连接背面的接地带，第三弯sma接头28的一端分别连接上表面的接地带和金属导带。
[0053]
本发明连续频率的原子微波混频装置是近室温下基于热里德堡原子技术和电磁诱导透明等量子相干效应，通过非共振下射频外差技术实现高宽带的连续频率测量。通过里德堡原子作为射频信号的混频器，两束非共振的微波作为本振场耦合里德堡能级，产生eit峰分裂，最后通过对探测光的测量与计算便能得到信号场拉比频率、电场强度及相位信息。此装置实现了对微波场的高精度测量的同时实现了连续频率的测量，为微波场精密测量研究提供新技术基础与新的思路。
[0054]
实施例2
[0055]
如图2所示，图2为热原子的能级结构示意图。其中探测光6耦合1,2态，耦合光7耦合2,3态，探测光与耦合光失谐量分别为δ
12
13、δ
23
14。第一本振场8耦合3，4态，第二本振场9耦合4，5态，信号场10非共振耦合4,5态，其中失谐量为δ11与δ12。
[0056]
如图3所示，本发明提供一种连续频率的原子微波混频方法，包括如下步骤：
[0057]
1)、两束共振激光沿着碱金属原子气室内部的共面波导上表面反向传播，穿过接地带与中心带之间，产生里德堡电磁诱导透明效应。
[0058]
2)、馈入两束微波本振场并形成微波双光子共振条件，同时两个微波本振场都是单光子大失谐，通过调节单光子失谐量形成频率扫描的等效本振场。
[0059]
3)、从接收天线或接线端口将信号场输入到原子混频器，通过光电探测器检测探测光实现连续频率的微波测量。再由已知电场定标并推导出斜率|κ0|，最后可推算出信号
场拉比频率、电场强度以及相位信息。
[0060]
本发明连续频率的原子微波混频方法具体为：
[0061]
1)、通过第一、第二激光器产生的耦合光和探测光将碱金属原子气室中的碱金属原子从基态相干激发到里德堡态，将探测光与耦合光调至合适的失谐量δ
12
、δ
23
，使其达到双光子共振条件。
[0062]
2)、接着两束激光光束沿着共面波导的上表面反向传播，并通过共面波导上表面中的接地带与中心带之间，由此激发气室内的里德堡原子。
[0063]
3)、通过接收天线将接收到的信号场由增益放大器放大后，与两束本振场通过sma接头传输到共面波导中。第一、第二个直流偏置用于消除里德堡原子周围的噪声环境，其中第一直流偏置作用于共面波导上表面，第二直流偏置作用于波导的背面，通过两个直流偏置创造碱金属原子气室内零环境的直流场。
[0064]
4)、通过里德堡原子混频器，将共面波导发射出的两束本振场与一个放大后的信号场混频后，第一本振场耦合里德堡能级3和4态，第二本振场耦合里德堡能级4和5态，产生eit峰分裂，通过调节失谐δ的大小来实现连续频率的测量。
[0065]
5)、通过探测器，检测探测光的信号。再由已知电场定标并推导出斜率|κ0|，最后通过计算可得到信号场拉比频率、电场强度及相位信息。
[0066]
所述的连续频率的原子微波混频装置及方法，需要将探测光与耦合光调至合适失谐量抵消ac stark平移，其中为本振场的拉比频率，两束本振场的拉比频率大小相等，并通过本振场与信号场耦合里德堡能级，形成一个五能级里德堡eit系统。
[0067]
所述定标公式如下：
[0068][0069][0070]
其中,p(t)为探测光透射率随时间t的变化，为探测光透射率初始值，γ为eit的线宽，ω
s
是待测微波的拉比频率，δ
s
是信号场的失谐量，φ
s
为信号场的相位，|κ0|为斜率。α是参与eit过程中光子的比例，p
i
是入射光功率，l是原子气室长度，k为波矢，χ0是磁化率。
[0071]
本发明连续频率的原子微波混频方法是近室温下基于热里德堡原子技术和电磁诱导透明等量子相干效应，利用一个五能级的里德堡eit系统，通过两束本振场形成双光子共振与对单光子大失谐的操控来实现高宽带载波的连续频率测量。其中通过里德堡原子作为射频信号的混频器，两束非共振的微波作为本振场耦合里德堡能级，产生at分裂，最后通过对探测光的测量与计算便能得到微波的频率、相位以及功率大小。此方法实现了对微波的高精度测量的同时，实现了连续频率的测量，突破目前单频信号接收的障碍，为微波场的精密测量研究提供新技术基础。
[0072]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。