一种基于Zeeman效应的连续微波频率测试方法

本发明涉及量子精密测量和电磁微波测量交叉，涉及一种基于zeeman效应的连续微波频率测试方法。

背景技术：

1、对微弱微波电场的精密测量技术在卫星导航、雷达测试等诸多领域起着重要的作用。在目前已经用到的微弱微波电场测量的设备中，常使用的是金属天线作为计量和接收工具，但是天线的引入会对待测的弱场带来干扰，同时它的测量必须用一个精度更高的计量工具来校正，这样的工具往往具有精度极限即热噪声极限。基于原子的量子探测技术和方法，具有自校准的能力，使用时并不需要校准手段来校准，同时该测量方法的噪声极限是量子极限，远低于金属天线的热噪声极限。同时，量子探测技术由于其具有较为丰富的光谱资源，可以探测的电磁频率从～mhz跨越到～thz范围，该范围远远超过目前传统天线的测量范围，因此基于原子的量子探测微波的手段具有很好的探测前景，该方法已经被广泛研究和应用，并被认为可取代现有利用天线进行微波探测和精密测量的技术。

2、但是目前基于原子的量子探测技术虽然具有较大的测量频率范围，但是受限于光谱的量子化特性，所测量的频率并不是连续的，而是离散的点频率，这样的缺点使量子探测技术无法真正地实现对微波频率上的连续测量。但是宽带连续频率的测试是该方法真正走向实用化应用必须要解决的问题，宽带连续可调有利于实现更多频谱的利用、实现更多功能的结合，同时解决接收机由于带宽的限制需要频繁更换不同硬件型号装置的问题。因此连续频率可调谐的微波接收机在工程应用领域具有重要的作用，这样的解决方法有助于推动基于原子的量子探测技术的进一步地实现应用和推广。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于zeeman效应的连续微波频率测试方法，有效解决了实时、原位、同步地有效地解决了连续可调微波频率的测试问题。

2、一种基于zeeman效应的连续微波频率测试方法，包括：

3、采用的测试系统包括探测光激光器(1)、探测光二分之一波片(2)、探测光pbs分光镜(3)、三个探测光反射镜组(4)、亥姆霍兹线圈(5)、碱金属原子气室(6)、耦合光二向色镜-半透半反光学透镜(7)、耦合光pbs分光镜(8)、耦合光二分之一波片(9)、耦合光激光器(10)、差分探测器(11)、信号场天线(12)以及本地场天线(13)；

4、三个探测光反射镜组(4)分别为第一反射镜(4′)、第二反射镜(4″)和第三反射镜(4″′)；

5、碱金属气室(6)置于亥姆霍兹线圈(5)产生的匀强磁场中；

6、从探测光激光器(1)出来的激光经过探测光二分之一波片(2)进行调整激光的偏振方向，探测光二分之一波片(2)调整激光不同偏振方向上的光强，激光在经过探测光pbs分光镜(3)，探测光pbs分光镜(3)将激光分成两路不同偏振光光路，偏振光1和偏振光2，偏振光1依次经过第一反射镜(4′)、第二反射镜(4″)进行反射调整方向后进入碱金属气室(6)，经过碱金属气室(6)后再进入差分探测器(11)的一个通道得到第一电信号；

7、从探测光pbs分光镜(3)出来的偏振光2经过探测光反射镜(4″′)调整光路方向后进入碱金属气室(6)，通过碱金属气室(6)的偏振光2经过耦合光二向色镜-半透半反光学透镜(7)后通过差分探测器(11)的另一个通道，得到第二电信号；

8、从耦合光激光器(10)出射的激光经过耦合光二分之一波片(9)进行调整光路偏振，二分之一波片(9)调整耦合激光不同偏振方向上的光强，经过光强调整后的耦合激光作为偏振光3，经过pbs分光镜调整耦合激光的偏振，再经过耦合光二向色镜-半透半反光学透镜(7)进入碱金属气室(6)，在碱金属气室(6)中与偏振光1共线相向传播，耦合光主要是对碱金属气室中被激发到激发态原子的作用，将激发态的原子完成从激发态2>激发到里德堡态3>的跃迁；

9、所述测试方法包括：

10、第一步，通过探测光激光器(1)产生频率稳定且所需要频段的探测光；

11、第二步，通过耦合光激光器(10)产生频率稳定且所需要频段的耦合光，搭建连续频段的微波测试辅助电磁辐射装置，通过微波信号发生器、天线产生所需的待测的具有连续调节的待测微波电场和辅助微波电场；

12、第三步，将第一步产生的探测光和第二步产生的耦合光经过所述的测试系统，并扫描耦合光的频率，此时示波器会显示eit透射峰，并产生第一电信号和第二电信号，并将第一信号和第二信号进行差分处理得到信号s1；

13、第四步，将亥姆霍兹线圈(6)放置在原子气室(5)周围，使原子气室(5)处于场强不变的磁场中，通过调节与线圈连接的稳压电流源中电流的大小调节磁场的大小；

14、在确定共振耦合的微波频率时，在施加磁场b1后，此时的eit透射峰信号s1信号成为磁场下eit透射峰s1-b信号,并施加相应的待测微波，其频率是f1，使eit透射峰发生相应的eit-at现象，此时微波频率f1即为在磁场b1下的共振耦合电磁波频率，按照这样的方法，得到处在不同磁场下待测的微波所对应的连续频率，并建立起相应的函数关系；

15、第五步，在亥姆霍兹线圈(6)磁场为b1的条件下，利用与信号发生器相连的待测天线辐射频率为f1待测微波，使eit透射光谱发生eit-at现象，此时待测天线的辐射频率f1就为系统的共振频率；根据公式erf为微波电场强度，δfrf为发生对称劈裂后微波的两个透射峰之间的频率差，δrf为微波跃迁偶极矩；调节待测天线辐射功率pi，提取eit中的吸收峰之间的间距，并根据劈裂的透射峰之间的距离，计算出不同辐射功率下待测微波电场的强度ei，得到ei-pi关系曲线并作为后续校正信号使用；

16、关闭与待测天线相连的信号发生器，停止待测电磁信号的辐射，观察信号s1,并逐渐降低耦合光的扫描频率，使耦合光的频率扫描频率逐渐降到发生eit透射峰的峰位时的耦合光频率fco附近，并使用饱和吸收谱/外频腔法将耦合激光的频率锁定到fco；

17、第六步，将待测天线和辅助天线分别连接到对应的信号发生器上，使它们都向原子气室辐射，并使待测天线和辅助天线辐射微波的频率差为δf，两天线连接的信号发生器利用同轴线进行同步；利用外接的频率为δf的正旋波信号作为示波器中接收通道的触发信号，在差分探测器(11)得到稳定存在的低频外差吸收光谱信号，定义为信号s2，变化待测天线的辐射功率，得到不同辐射功率下的s2信号值；

18、第七步，提取第六步得到的s2信号，并进行快速傅里叶变换，将傅里叶变换后的信号提取得到频率δf对应的幅值，定义为s3信号；

19、将第五步中的用于校准的电场强度信号ei与信号s3画在具有相同横坐标轴的双纵轴的坐标系中，其中横坐标功率值开方值；右边的纵坐标值为电场值ei；左边的纵坐标值为信号s3的振幅值；

20、在信号s3曲线上找到最低点a点的横坐标值，然后在信号ei曲线上找到具有该横坐标值的点，该点在右边纵坐标的值即为最低点a所对应的电场值；

21、第八步，改变第四步中的亥姆霍兹线圈(6)连接的稳压恒流电源的电流值，改变碱金属原子气室(5)周围的磁场大小b，重复第五至第七步，完成连续微波频率的测量并得到各个频率点的最低微波电场值。

22、较佳的，δf在mhz以下。

23、较佳的，δf为5khz。

24、本发明具有如下有益效果：

25、本发明的测量方法和系统，针对传统的微波电场测试术中测量动态范围小、灵敏度低、测量带宽小等缺点和目前新型的量子微波测试中只能实现点频率、测量微波频率失谐量δf小等劣势，本发明利用里德堡原子能级丰富的电磁频谱资源特性以及磁场作用下的zeeman效应对原子能级劈裂和调控的特性，实现新型频率可调的电磁量子探测技术。同时克服了现有连续微波频率测量技术中采用远失谐技术的缺点，采用zeeman效应的特点，实现了基于共振测量的连续微波测量方法和系统。通过磁场调控原子的能级的方法，本发明可以成功地将原子能级自由调控，同时，在同一个磁场下，将原本不施加磁场时的微波频率分别向高频和低频处频移，产生两个共振的微频率，极大地拓展了连续测量微波频率的可调带宽。同时，该方法只需要普通的亥姆霍兹线圈就可以实现任意磁场的调控即实现任意微波频点的测量，不受控于辅助设备的限制和复杂的结构就可以实现，成本低且高效，操作简便且稳定性好。由于磁场对任意待测频率的电场测量都具有作用即zeeman效应，因此，该方法在磁场足够大的情况下可以实现里德堡测量微波频率范围内任意频率点的测试，克服传统测试手段中天线接收机带宽较小的问题，解决现有技术中对点频率测量的问题和弥补了现有频率可调的远失谐技术问题。同时该方案结构简单，易于实施，没有金属材料对待测电场的干扰。