一种微波电场强度测量方法和测量装置与流程

本发明涉及一种微波电场强度测量方法和测量装置。

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(electromagneticallyinducedtransparency,电磁感生透明)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8μvcm^-1，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at分裂的微波电场探测技术，在微波电场较弱的情况下，探测光透射峰仅呈微小凹陷而尚未发生劈裂，此时对微波电场的探测存在难度；同时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，无法对极微弱的微波电场实现精密测量。

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，以通过选择对探测光色散和在不同介质中传播的时间差的测量，实现对更微弱的微波电场的精密测量，其结构简单、操作方便、测量精确、可行性强，且易于实用化。

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：

将第一激光器产生的探测光分为两束相同的探测光，其中一束探测光进入铷泡，另一束探测光进入真空设备；

第二激光器产生的耦合光进入铷泡，耦合光和探测光将铷泡中的热原子从基态相干激发到里德堡态，并在原子蒸气室内实现电磁诱导透明；

将微波源产生的微波电场施加到热原子上，将另一邻近里德堡态耦合到三能级eit系统上，形成一个四能级系统；

分别探测从铷泡和真空设备出射的两路透射光，通过分析两路透射光的色散关系，确定两路透射光的时间差，即可获得微波电场强度。

进一步地，微波电场强度e的计算公式如下：

其中，τ为两路透射光的时间差，od为介质的光学厚度，γ为自发辐射速率，ωc为耦合光的拉比频率。

进一步地，所述热原子为铷原子。

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，包括第一光电探测器、第二光电探测器、铷泡、第一激光器、第二激光器、分束器、双色镜、真空设备、微波源、示波器；

第一激光器、第二激光器和微波源的发射方向均朝向铷泡；微波源用于产生微波电场；铷泡用于热原子气体的制备；真空设备用于产生真空环境；分束器设置在第一激光器和铷泡之间，双色镜设置在第二激光器、第一光电探测器和铷泡之间；

第一激光器产生的探测光经分束器后产生两束相同的高斯型探测光，两路探测光分别通过铷泡和真空设备；第二激光器产生耦合光经双色镜反射后进入铷泡，用于将铷泡中的热原子从基态相干激发到里德堡态；第一光电探测器，用于探测通过铷泡后并从双色镜透射的高斯型探测光；第二光电探测器，用于探测通过真空设备后的高斯型探测光；示波器，用于分析光第一光电探测器和第二光电探测器测得的色散关系，确定两路透射光的时间差，即可获得微波电场强度。

进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器均采用光电倍增管。

进一步地，所述铷泡为玻璃真空腔，所述热原子为铷原子。

进一步地，所述第二激光器产生的耦合光波长为479nm-488nm。

进一步地，所述第一激光器产生的探测光波长为780nm。

与现有技术相比，本发明一种微波电场强度测量方法及测量装置是基于热里德堡原子和eit慢光效应，通过过探测施加微波电场时介质的色散关系，测量光脉冲通过eit介质与参考光路的时间差，实现了微波电场强度的测量。

附图说明

图1为本发明微波电场强度测量装置的系统架构图；

图2为热原子的能级结构示意图；

图3为本发明微波电场强度测量方法的步骤流程图。

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：第一光电探测器1、第二光电探测器9、铷泡2、第一激光器4、第二激光器6、分束器7、双色镜8、真空设备10、微波源5、示波器。

其中，第一激光器4、第二激光器6和微波源5的发射方向均朝向铷泡2；微波源5用于产生微波电场；铷泡2用于热原子气体3的制备；真空设备10用于产生真空环境；分束器7设置在第一激光器4和铷泡2之间，双色镜8设置在第二激光器6、第一光电探测器1和铷泡2之间。

第一激光器4，用于产生波长为780nm的探测光，该波长为780nm的探测光经分束器7后产生两束相同高斯型探测光，两路探测光分别通过铷泡2和真空设备10；第二激光器6，产生波长为480nm的耦合光，经双色镜8反射后进入铷泡2，用于将铷泡2中的热原子从基态相干激发到里德堡态；第一光电探测器1，用于探测通过铷泡2后并从双色镜8透射的高斯型探测光；第二光电探测器9，用于探测通过真空设备10后的高斯型探测光；示波器，用于分析光第一光电探测器1和第二光电探测器9测得的色散关系，确定两路透射光的时间差，即可获得微波电场强度。

在本发明具体实施例中，铷泡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，并提高测量的精确度。所述热原子气体3用于实现电磁诱导透明，使通过其中的探测光群速度减慢。在本发明具体实施例中，热原子气体为铷(rb)蒸气，较佳地，铷泡2通过利用加热温控设备控制铷泡的温度，加热铷蒸气以增加其光学厚度。

优选的，第一光电探测器1和第二光电探测器9均采用光电倍增管，可以实现精密测量。

测量时，首先利用第二激光器6产生的强耦合光将铷泡2中的热原子的中间态和里德堡态耦合成两个缀饰态，热原子向两个缀饰态能级跃迁的通道之间将产生量子相消干涉，导致了原子共振频率处的反吸收峰，实现铷泡2内热原子的电磁诱导透明。热原子提供正常色散，群折射系数ng≥1，vg≤c，即脉冲传播速度减慢。这样通过探测施加微波电场时热原子的色散关系，测量光脉冲通过热原子与参考光路的时间差，即可完成微波电场强度的测量。

图2为热原子的能级结构示意图。在本发明具体实施例中，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中间态和里德堡态，微波电场将另一邻近里德堡态耦合到三能级eit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5p3/2和两个近邻里德堡态。图2中，11(|0>＝5s1/2)为热原子内态的基态，12(|1>＝5p3/2)和13(|2>＝53d5/2)分别为热原子内态的中间态和里德堡态，通过强耦合光的相干操作，可将中间态和基态耦合成两个缀饰态，以实现电磁诱导透明。4＇为波长780nm的探测光，6＇为波长480nm的耦合光，耦合光的作用是将热原子激发到里德堡态和实现电磁诱导透明；14(|3>＝54p3/2)为一个辅助里德堡态(与里德堡态13邻近)；15为作用在里德堡态13和辅助里德堡态14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为本发明一种微波电场强度测量方法的步骤流程图。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从频率的测量转化为色散关系的测量，具体包括如下步骤：

步骤401，将第一激光器产生的探测光分为两束相同的探测光，其中一束探测光进入铷泡，另一束探测光进入真空设备；

步骤402，第二激光器产生的耦合光进入铷泡，耦合光和探测光将铷泡中的热原子从基态相干激发到里德堡态，并在原子蒸气室内实现电磁诱导透明；

步骤403，将微波源产生的微波电场施加到热原子上，将另一邻近里德堡态耦合到三能级eit系统上，形成一个四能级系统；

步骤404，分别探测从铷泡和真空设备出射的两路透射光，通过分析两路透射光的色散关系，确定两路透射光的时间差，即可获得微波电场强度。

具体地，两路透射光的时间差可以通过光脉冲在两种介质中的群速度给出。光脉冲的群速度依赖于介质的极化系数，进而依赖于微波场与能级的耦合强度，即拉比频率ωd，通过测得时间差δt，即可求出待测微波电场强度，微波电场强度e与延迟时间τ的关系：

其中od为介质的光学厚度，γ为自发辐射速率，ωc为耦合光的拉比频率。

综上所述，本发明微波电场强度测量方法和测量装置是基于热里德堡原子和eit慢光效应，通过探测施加微波电场时介质的色散关系，测量光脉冲通过eit介质与参考光路的时间差，实现了微波电场强度的测量。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过对透射光脉冲色散关系的测量，能将微波电场测量精度提高三到四倍，从而为微波电场的精密测量研究提供新的技术基础；同时，在探测光透射峰尚未完全发生分裂时，依然可以对电场进行有效测量，从而弥补目前eit和at光谱测量技术不能实现更小电场测量的缺陷。

2、本发明适用于热原子体系，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功能，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。