一种测量装置

1.本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种测量装置。


背景技术：

2.电磁场测量是精密测量科学中最重要的物理参量之一。，其中，电磁场测量中的弱磁测量在资源勘探、磁性物质检测、生物医学和航空航天领域有重要的应用价值。
3.微波也属于电磁场，微波的测量在通信、雷达、工业生产、遥感和天文观测等领域具有重要应用。目前测量高精度的微波主要依靠传统偶极天线测量，测量精度很难达到uv/cm量级，不能满足精确测量的要求。里德堡原子因为大的电偶极矩，具有很大的极化率，对电磁场非常敏感。利用里德堡原子的量子相干特性(电磁感应透明eit和autler
‑
townes效应)测量微波电场的强度，具有远优于传统的偶极矩天线测量的微波电场强度的优势。
4.磁场和微波场在此前的研究中都是进行单一场的测量，没有开展过两种场同时测量的尝试。但是二者的共同点是，测量都是利用碱金属原子气室。通常的基于热原子的里德堡原子测量微波系统中，只有少数原子激发到里德堡原子态，大量原子处于基态而未被利用。通过光泵浦抽运方式可以将基态原子进行自旋极化，极化后的基态原子具有的自旋磁矩可以实现磁场测量。因而本发明提出利用铯原子气室中基态原子利用泵浦光实现自旋极化，同时利用双能级激光实现里德堡激发态，基态极化的原子可以实现磁场测量，激发态的里德堡原子at效应实现微波场测量，即在同一个原子气室中实现磁场和微波场同时测量。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种测量装置。
6.本发明的一种测量装置的技术方案如下：
7.包括处理器、激发部件、信号获取部件、以及充入碱金属原子的原子气室；
8.所述激发部件用于将所述原子气室中的碱金属原子从基态激发至里德堡态；
9.所述信号获取部件用于：当待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子发生变化时，获取信号数据；
10.所述处理器用于根据所述信号数据计算所述待检测微波的场强。
11.本发明的一种测量装置的有益效果如下：
12.首先，激发部件将原子气室中的碱金属原子从基态激发至里德堡态，然后，当待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子发生变化时，信号获取部件获取信号数据，最后，处理器用于根据信号数据计算待检测微波的场强，利用里德堡原子的量子相干特性测量微波的场强，具有远优于传统的偶极矩天线测量微波的场强的优势，能够使测量精度达到达到uv/cm量级，以满足精确测量的要求。
13.在上述方案的基础上，本发明的一种测量装置还可以做如下改进。
14.进一步，所述激发部件包括第一激光器、和第二激光器；
15.所述第一激光器用于发出第一激光，并通过所述第一激光将所述原子气室中处于
基态的碱金属原子激发至中间态；
16.所述第二激光器用于发出第二激光，并通过所述第二激光将所述原子气室中处于中间态的碱金属原子激发至里德堡态。
17.进一步，所述激发部件还包括第一偏振分束棱镜、第一半波片和第一半透半反镜、第二偏振分束棱镜、第二半波片和第二半透半反镜；
18.所述第一激光器、所述第一偏振分束棱镜、所述第一半波片和所述第一半透半反镜依次排列，以使所述第一激光依次经过第一偏振分束棱镜、所述第一半波片，并经所述第一半透半反镜反射后，得到第一入射激光；
19.所述第二激光器、所述第二偏振分束棱镜、所述第二半波片和所述第二半透半反镜依次排列，以使所述第二激光依次经过所述第二偏振分束棱镜、所述第二半波片，并经第二半透半反镜反射后，得到第二入射激光；
20.所述第一入射激光和所述第二入射激光相对且均入射所述原子气室，所述第一入射激光将所述原子气室中处于基态的碱金属原子激发至中间态，所述第二入射激光将所述原子气室中处于中间态的碱金属原子激发至里德堡态。
21.进一步，所述信号数据获取部件为第一光电探测器，所述第一光电探测器用于接收第一透射激光，当所述待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子发生变化时，扫描第一入射激光的频率或第二入射激光的频率，得到eit
‑
at分裂光谱信号，所述eit
‑
at分裂光谱信号即为所述信号数据，其中，所述第一透射激光为所述第一入射激光经原子气室后射出的光。
22.进一步，所述处理器具体用于：根据所述eit
‑
at分裂光谱信号得到分裂δf，并根据第一公式计算得到所述待检测微波的场强|e|，所述第一公式为：其中，λ
p
表示所述第一激光的波长，λ
c
表示所述第二激光的波长，为普朗克常数，μ
mw
表示里德堡原子能级的耦合常数。
23.进一步，还包括泵浦激光器和亥姆霍兹线圈，且所述原子气室位于所述亥姆霍兹线圈的磁场均匀区；
24.泵浦激光器用于发出第三激光，并通过所述第三激光将所述原子气室中处于基态的碱金属原子进行自旋极化；
25.所述处理器还用于：调整所述亥姆霍兹线圈所产生的磁场的频率，直至所述亥姆霍兹线圈的磁场的真实频率值f与自旋极化后的碱金属原子在所述待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，并通过第二公式计算待检测磁场的场强b，所述第二公式为：其中，γ表示碱金属原子的旋磁比。
26.采用上述进一步方案的有益效果是：泵浦激光器发出第三激光，并通过第三激光将处于基态的碱金属原子进行自旋极化，此时原子气室内的原子自旋会保持超高的相干性，对于磁场具有极高的灵敏性，其测量磁场的精度能到ft量级，能够满足精确测量的要求，且通过调整所述亥姆霍兹线圈所产生的磁场的频率，直至所述亥姆霍兹线圈的磁场的真实频率值f与自旋极化后的碱金属原子在待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，再通过第二公式计算待检测磁场的场强b，极大降低了计算复杂度，提高计算效率。
27.进一步，还包括设置在所述泵浦激光器和所述原子气室之间的四分之一波片，所述泵浦激光器用于发出为线偏振光的第三激光，所述第三激光经过所述四分之一波片后，得到为圆偏振光的第三入射激光，所述第三入射激光将所述原子气室中处于基态的碱金属原子进行自旋极化。
28.进一步，还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于：获取第三透射激光的光信号，并根据所述第三透射激光的光信号确定调整后的亥姆霍兹线圈所产生的磁场的频率是否与自旋极化后的碱金属原子在所述待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，其中，所述第三透射激光为所述第三入射激光经原子气室后射出的光。
29.采用上述进一步方案的有益效果是：当亥姆霍兹线圈的磁场的频率与自旋极化后的碱金属原子在待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配时，自旋极化后的碱金属原子会发生共振，发生共振时，第二光电探测器获得的光信号会降低，光电探测器接收并根据第三透射激光的光信号，获取该光信号上的共振信息，进而得到发生共振时扫描磁场的频率，即得到亥姆霍兹线圈的磁场的真实频率值f。
30.进一步，还包括第三偏振分束棱镜，所述第三偏振分束棱镜位于所述泵浦激光器和所述四分之一波片之间。
31.进一步，所述碱金属原子为铯原子或铷原子。
附图说明
32.图1为本发明实施例的一种测量装置的结构示意图；
具体实施方式
33.如图1所示，本发明实施例的一种测量装置，包括处理器、激发部件、信号获取部件、以及充入碱金属原子22的原子气室12；
34.所述激发部件用于将所述原子气室12中的碱金属原子22从基态激发至里德堡态；
35.所述信号获取部件用于：当待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子22发生变化时，获取信号数据；
36.所述处理器用于根据所述信号数据计算所述待检测微波的场强。
37.其中，根据碱金属原子22的不同，将原子气室12调整为不同温度，以保证碱金属原子22处于气化状态，碱金属原子22为铷原子或铯原子，优选铯原子，原子气室12选取不限于方形，可以为十字形、圆柱形及球形等，可根据实际情况进行设置。
38.较优地，在上述技术方案中，所述激发部件包括第一激光器1、和第二激光器3；
39.所述第一激光器1用于发出第一激光16，并通过所述第一激光16将所述原子气室12中处于基态的碱金属原子22激发至中间态；为将所述原子气室12中处于基态的碱金属原子22激发至中间态，第一激光器1的第一激光16的光功率一般设置在0.1uw至5mw之间；
40.所述第二激光器3用于发出第二激光18，并通过所述第二激光18将所述原子气室12中处于中间态的碱金属原子22激发至里德堡态，为将所述原子气室12中处于中间态的碱金属原子22激发至里德堡态，第二激光器3的第二激光18的光功率一般设置在1mw至50mw之间；其中，第一激光器1可定义为探测激光器，第二激光器3可定义为耦合激光器。
41.其中，可以理解的是，不是将原子气室12中的所有碱金属原子22均激发至中间态，
也并不是将原子气室12中处于中间态的所有碱金属原子22激发均至里德堡态，事实上，通过所述第一激光16将所述原子气室12中部分处于基态的碱金属原子22激发至中间态，通过所述第二激光18将所述原子气室12中部分处于中间态的碱金属原子22激发至里德堡态。
42.其中，当碱金属原子22为铯原子时，则铯原子对应的中间态为6p
3/2
态，每种碱金属原子22对应不同的中间态，在此不做赘述。
43.较优地，在上述技术方案中，所述激发部件还包括第一偏振分束棱镜4、第一半波片7和第一半透半反镜10、第二偏振分束棱镜6、第二半波片9和第二半透半反镜13；
44.所述第一激光器1、所述第一偏振分束棱镜4、所述第一半波片7和所述第一半透半反镜10依次排列，以使所述第一激光16依次经过第一偏振分束棱镜4、所述第一半波片7，并经所述第一半透半反镜10反射后，得到第一入射激光19；
45.所述第二激光器3、所述第二偏振分束棱镜6、所述第二半波片9和所述第二半透半反镜13依次排列，以使所述第二激光18依次经过所述第二偏振分束棱镜6、所述第二半波片9，并经第二半透半反镜13反射后，得到第二入射激光21；
46.所述第一入射激光19和所述第二入射激光21相对且均入射所述原子气室12，所述第一入射激光19将所述原子气室12中处于基态的碱金属原子22激发至中间态，所述第二入射激光21将所述原子气室12中处于中间态的碱金属原子22激发至里德堡态。
47.较优地，在上述技术方案中，所述信号数据获取部件为第一光电探测器14，所述第一光电探测器14用于接收第一透射激光，当所述待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子22发生变化时，扫描第一入射激光19的频率或第二入射激光21的频率，得到eit
‑
at分裂光谱信号，所述eit
‑
at分裂光谱信号即为所述信号数据，其中，所述第一透射激光为所述第一入射激光19经原子气室12后射出的光。
48.所述第一入射激光19和所述第二入射激光21相对可理解为：第一入射激光19和所述第二入射激光21反向重合，具体体现在：第一透射激光和第二透射激光重合。
49.本申请的一种测量装置，首先，激发部件将原子气室12中的碱金属原子22从基态激发至里德堡态，然后，当待检测微波使处于里德堡态的碱金属原子22发生变化时，信号获取部件获取信号数据，最后，处理器用于根据信号数据计算待检测微波的场强，利用里德堡原子的量子相干特性即eit
‑
at效应测量微波的场强，eit
‑
at效应包括电磁感应透明eit(eit为electromagnetically induced transparency的简写)和欧特莱
‑
汤斯效应，具有远优于传统的偶极矩天线测量微波的场强的优势，能够使测量精度达到达到uv/cm量级，以满足精确测量的要求，且可测的微波的频率测量范围1
‑
900ghz，其中，欧特莱
‑
汤斯效应又称为autler
‑
townes效应。
50.较优地，在上述技术方案中，所述处理器具体用于：根据所述eit
‑
at分裂光谱信号得到分裂δf，并根据第一公式计算得到所述待检测微波的场强|e|，所述第一公式为：其中，λ
p
表示所述第一激光16的波长，λ
c
表示所述第二激光18的波长，为普朗克常数，μ
mw
表示里德堡原子能级的耦合常数。
51.较优地，在上述技术方案中，还包括泵浦激光器2和亥姆霍兹线圈11，且所述原子气室12位于所述亥姆霍兹线圈11的磁场均匀区；
52.泵浦激光器2用于发出第三激光17，并通过所述第三激光17将所述原子气室12中
处于基态的碱金属原子22进行自旋极化；
53.所述处理器还用于：调整所述亥姆霍兹线圈11所产生的磁场的频率，直至所述亥姆霍兹线圈11的磁场的真实频率值f与自旋极化后的碱金属原子22在所述待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，并通过第二公式计算待检测磁场的场强b，所述第二公式为：其中，γ表示碱金属原子22的旋磁比。可以理解的是，当碱金属原子22为铯原子时，则γ表示铯原子的旋磁比，当碱金属原子22为铷原子时，则γ表示铷原子的旋磁比。
54.泵浦激光器2发出第三激光17，并通过第三激光17将处于基态的碱金属原子22进行自旋极化，此时原子气室12内的原子自旋会保持超高的相干性，对于磁场具有极高的灵敏性，也就是说，自旋极化的碱金属原子22比非自旋极化的碱金属原子22有更高的磁场灵敏度，其测量磁场的精度能到ft量级，能够满足精确测量的要求，且通过调整所述亥姆霍兹线圈11所产生的磁场的频率，直至所述亥姆霍兹线圈11的磁场的真实频率值f与自旋极化后的碱金属原子22在待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，再通过第二公式计算待检测磁场的场强b，极大降低了计算复杂度，提高计算效率。
55.较优地，在上述技术方案中，还包括设置在所述泵浦激光器2和所述原子气室12之间的四分之一波片8，所述泵浦激光器2用于发出为线偏振光的第三激光17，所述第三激光17经过所述四分之一波片8后，得到为圆偏振光的第三入射激光20，所述第三入射激光20将所述原子气室12中处于基态的碱金属原子22进行自旋极化。
56.其中，可以理解的是，第三入射激光20不是将所述原子气室12中所有处于基态的碱金属原子22自旋极化，事实上，第三入射激光20不是将所述原子气室12中部分处于基态的碱金属原子22都能进行自旋极化。
57.较优地，在上述技术方案中，还包括第二光电探测器15，所述第二光电探测器15用于：获取第三透射激光的光信号，并根据所述第三透射激光的光信号确定调整后的亥姆霍兹线圈11所产生的磁场的频率是否与自旋极化后的碱金属原子22在所述待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配，其中，所述第三透射激光为所述第三入射激光20经原子气室12后射出的光。
58.当亥姆霍兹线圈11的磁场的频率与自旋极化后的碱金属原子22在待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配时，自旋极化后的碱金属原子22会发生共振，发生共振时，第二光电探测器15获得的光信号会降低，光电探测器接收并根据第三透射激光的光信号，获取该光信号上的共振信息，进而得到发生共振时扫描磁场的频率，即得到亥姆霍兹线圈11的磁场的真实频率值f。
59.其中，使碱金属原子22进行自选自旋极化的实现方式如下：将原子气室12加热到25℃左右的温度，利用光泵浦技术将碱金属原子22进行自旋极化，且在该温度下，能保证碱金属原子22如铯原子处于气化状态；
60.其中，弱磁环境由亥姆霍兹线圈11提供，具体可设置如下：
61.将亥姆霍兹线圈11在磁场均匀区所产生的磁场的场强即强度设置在5000nt～100000nt之间，处理器调整所述亥姆霍兹线圈11所产生的磁场的频率，直至所述亥姆霍兹线圈11的磁场的真实频率值f与自旋极化后的碱金属原子22在所述待检测磁场中的拉莫尔进动频率匹配。也就是说，测量磁场时，是通过扫描磁场线圈即亥姆霍兹线圈11实现。亥姆
霍兹线圈11布置在原子气室22外，亥姆霍兹线圈11的磁场均匀区的磁场方向与探测激光即第一激光16和耦合激光即第二激光18光方向垂直，且亥姆霍兹线圈11位于第一半透半反镜10和第二半透半反镜13之间。磁场线圈产生射频信号，信号的频率由电路系统控制，并不断扫描。当扫描磁场的频率与原子在外磁场中的拉莫尔进动频率匹配时，原子吸收产生共振，共振信号对应着第二光电探测器15获得的光信号降低。通过第二光电探测器15获得光电信号得到共振信息，得到共振时扫描磁场的频率即磁场的真实频率值f。
62.较优地，在上述技术方案中，还包括第三偏振分束棱镜5，所述第三偏振分束棱镜5位于所述泵浦激光器2和所述四分之一波片8之间。
63.下面通过另外一个实施例对本申请的一种测量装置进行阐述，具体地：
64.1)测量微波的场强时，第一激光器1发出为线偏光的第一激光16，经过第一偏振分束棱镜4时，第一偏振分束棱镜4提高第一激光16的偏振度，通过第一半波片7时，第一半波片7调节线偏振方向，再经过第一半透半反镜10反射，得到第一入射激光19，第一入射激光19经原子气室12后射出得到第一透射激光，第一光电探测器14接收第一透射激光；
65.第一激光器1利用激光倍频发射为线偏振光的第二激光18，经过第二偏振分束棱镜6时，第二偏振分束棱镜6提高第二激光18的偏振度，通过第二半波片9时，第二半波片9调节线偏振方向，再经过第二半透半反镜13反射，得到第二入射激光21，所述第一入射激光19和所述第二入射激光21相对且均入射所述原子气室12，所述第一入射激光19将所述原子气室12中处于基态的碱金属原子22激发至中间态，所述第二入射激光21将所述原子气室12中处于中间态的碱金属原子22激发至里德堡态，由此测量待检测微波的场强；
66.2)泵浦激光器2发出为线偏振光的第三激光17，第三激光17的波长为碱金属原子d1线对应波长，经过第三偏振分束棱镜5时，第三偏振分束棱镜5提高第三激光17的偏振度，经过四分之一波片8时，四分之一波片8将线偏振光转换为圆偏振激光，然后透过原子气室12，将基态的铯原子自旋极化，透过原子气室12后，由第二光电探测器15接收，由此得到待检测磁场的场强。
67.原子气室12内可充入铯133原子单质，以得到铯133原子，此处“铯133原子”中的“133”并非附图标记，原子气室12为尺寸为10cm
×
10cm
×
10cm的方形气室。
68.其中，第一光电探测器14可选用速率大于200mhz的高速率光电探测器，第二光电探测器15可选用普通光电探测器。
69.磁场和微波场在此前的研究中都是进行单一场的测量，没有开展过两种场同时测量的尝试。但是二者的共同点是，测量都是利用碱金属原子22气室12。通常的基于热原子的里德堡原子测量微波系统中，只有少数原子激发到里德堡原子态，大量原子处于基态而未被利用。通过光泵浦抽运方式可以将基态原子进行自旋极化，自旋极化后的基态原子具有的自旋磁矩可以实现磁场测量。因而本发明提出利用铯原子气室12中基态原子利用泵浦光实现自旋极化，同时利用双能级激光实现里德堡激发态，基态自旋极化的原子可以实现磁场测量，激发态的里德堡原子at效应实现微波场测量，即在同一个原子气室12中实现磁场和微波场同时测量。具体地：
70.本发明的一种测量装置，基于碱金属原子22气室12，能对磁场和微波一体化测量，通常碱金属原子22用于原子磁强计测量磁场，也可以用于里德堡原子测量微波场，但是还没有一种装置进行磁场和微波场同时测量。本申请利用原子气室12中自旋极化的碱金属原
子22进行磁场测量，利用处于里德堡态的原子进行微波测量，也就是说，处于不同态的原子测量不同的场，相互之间不发生干扰。磁场测量通过扫描射频线圈的高频磁场频率。
71.当经过原子在外界静磁场对应的拉莫尔进动频率时，原子的吸收产生共振从而得到静磁场大小。本申请的一种测量装置中涉及三种不同类型的激发，基态原子通过圆偏振的泵浦光进行自旋极化，另外少部分基态原子通过探测光激发到中间态，再通过耦合光激发到里德堡原子态。本发明涉及的磁强计为光泵型磁强计，因而本装置可以在地磁场环境实现磁场和微波场同时测量。
72.亥姆霍兹线圈11布置在原子气室12外，与泵浦激光器2发出的第三激光17的方向平行。通过信号源使得亥姆霍兹线圈11产生高频交变磁场。通过第二光电探测器15将光信号转换为电信号得到磁场信息。本申请的一种测量装置可工作在地磁环境中。
73.在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。