一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统的制作方法

本发明涉及一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，属于量子精密测量领域。

背景技术：

1、里德堡原子微波电场传感器属于量子精密测量技术，该技术是利用探测光和耦合光两束激光将碱金属原子制备到里德堡态，利用微波电场在里德堡原子能级上的微扰，使里德堡原子能级发生移动，通过电磁诱导透明(eit)光谱可以读出能级移动量，从而实现无线电波的测量。当无线电波的频率近共振于里德堡原子邻近能级跃迁频率时，能级发生移动的大小依赖于外加无线电波电场分量。因此，通过eit光谱精确测量里德堡原子能级的变化，就可以精确计算被测无线电波的电场强度。相比传统微波测量手段，基于里德堡原子的微波电场测量技术具有高灵敏度、宽谱探测的技术潜力。

2、虽然里德堡原子微波电场传感器具备超宽带信号接收的能力，但若要实现宽谱探测能力，需实时调节耦合激光中心波长，使其制备的原子里德堡态临近能级间隔与待测微波频率匹配，而利用现有单一波长激光器的方案存在切换速度慢、物理系统响应慢等缺点。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统里德堡原子微波电场传感器缺乏宽谱探测能力，同时切换速度慢、物理响应慢的缺点，提出了一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统。

2、本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，包括原子气室、光电探测器、耦合激光频率梳，其中：

4、原子气室，接收预设中心波长的探测激光以提升碱金属原子能级，同时接收光电探测器发送的光频梳耦合激光，以碱金属元素为基础，根据探测激光、光频梳耦合激光进行里德堡原子制备；

5、耦合激光频率梳，对光频梳耦合激光进行滤波控制处理，使滤波处理后的光频梳耦合激光进入原子气室；

6、光电探测器，探测接收里德堡原子形成的微波信号并向外传输。

7、所述原子气室的制备模式包括多频点微波电场探测模式、单频点微波电场探测模式，多频点微波电场探测模式下，光频梳耦合激光为光频梳全频谱输出，实现全里德堡态原子的制备；

8、单频点微波电场探测模式下，光频梳耦合激光经过光学滤波或电控选频实现预选部分梳齿频谱输出实现单一里德堡态原子的制备。

9、所述耦合激光频率梳，包括单频连续激光器、相位调制器、强度调制器、微波频率综合器、光功率放大器及可调谐光滤波器，其中：

10、单频连续激光器，输出单频连续激光；

11、相位调制器，对单频连续激光进行相位调制；

12、强度调制器，对单频连续激光进行强度调制；

13、光功率放大器，对相位调制、强度调制后的连续激光进行功率放大，并输出微波频率综合器或可调谐光滤波器处理后的光频梳耦合激光；

14、可调谐光滤波器，根据制备模式对功率放大后的连续激光进行光频梳滤波处理；

15、微波频率综合器，根据制备模式对功率放大后的连续激光进行光频梳频率间隔调整。

16、所述原子气室内填充碱金属元素和缓冲气体，根据光频梳耦合激光激发原子气室中的碱金属元素原子，使碱金属元素原子处于里德堡态以实现里德堡原子制备。

17、所述多频点微波电场探测模式下，由微波频率综合器调整光频梳的频率间隔，光频梳全频谱输出耦合至原子气室中，根据里德堡能级间隔，使光频梳的梳齿与里德堡原子能级一一对应。

18、所述单频点微波电场探测模式下，由可调谐光滤波器对光频梳进行滤波，光频梳耦合激光经过光学滤波或电控选频后输出耦合至原子气室中，将单根梳齿滤出用于单一里德堡态原子的制备。

19、所述单一里德堡态原子的制备对应的单根梳齿频率根据可调谐光滤波器进行实时调节，以实现单一里德堡态原子的制备频率实时切换。

20、所述光频梳耦合激光中光频梳频率间隔小于里德堡能级的最小间隔，光频梳脉冲间隔小于上述里德堡态能级寿命的最小值以保证光频梳可以稳定制备里德堡态原子。

21、所述耦合激光频率梳中，通过三个相位调制器和强度调制器对单频连续激光在频域上生成等间隔的调制边带以形成光频梳耦合激光。

22、所述微波频率综合器输出调制频率至相位调制器和强度调制器，相位调制器和强度调制器根据接收的调制频率，对单频连续激光进行调制。

23、本发明与现有技术相比的优点在于：

24、(1)本发明提供的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，利用光频梳的光学频谱特性，实现单光源多里德堡态原子制备，利用不同里德堡态对微波电场频谱响应特性，实现宽频谱多频点和频点快速切换的电磁波探测天线；

25、(2)本发明使用光频梳作为耦合光可实现不同主量子数的里德堡态原子制备，从而实现多频点微波电场的同步测量，选用光频梳作为耦合光，在锁定某一梳齿的基础上可简便快速的进行波长切换，从而实现待测微波波长的快速转换，省去了波长重新锁定的繁琐流程。

技术特征：

1.一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，其特征在于：

技术总结
一种基于光频梳的宽谱可调谐里德堡原子制备系统，不同于以往利用单一波长进行里德堡态制备的方案，利用光频梳的光学频谱特性，实现单光源多里德堡态原子制备，利用不同里德堡态对微波电场频谱响应特性，实现宽频谱多频点和频点快速切换的电磁波探测天线；原子制备系统为基于里德堡原子的微波电场传感器宽频谱电磁波探测提供了全新的技术途径，为其应用于空间频谱感知等领域奠定了技术基础。

技术研发人员：肖林,黄伟,张子越,杨策,程海轩
受保护的技术使用者：中国航天科技创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17