CN103616568A - 基于Rydberg原子的微波感应方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波探测技术，具体是一种基于Rydberg原子的微波感应方法及装置。解决了目前微波场探测所用设备易对微波场产生干扰的技术问题。一种基于Rydberg原子的微波感应方法，（a）将两束激光合束并扩束后入射至一个充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池中；（b）将经样品池出射的光中频率与第二束激光相同的光过滤掉，采集剩余的激光信号并将其转换为相应的电信号；（c）如果样品池所在位置存在微波场，采集到的是第一束激光的强度减小的信号，则可判断出样品池所在位置有微波场的存在。本发明解决了现有微波感应技术体积庞大、探测灵敏度低的问题。采用本发明所述的基于Rydberg原子的微型微波感应器可以快速准确地测量出环境中是否存在微波场。
Description
技术领域
本发明涉及微波探测技术，具体是一种基于Rydberg原子的微波感应方法及装置。
背景技术
现有技术在测量微波电场时主要参照标准天线和标准场方法。对于现有的微波探测仪器，主要的限制就是天线，因为它需要把微波电场转化为某些可观测的量，比如电压，它还依赖于天线的几何形状，这样会导致对微波电场的干扰，导致测量结果的不准确，灵敏度不高。且目前常用的微波场探测装置体积庞大，使用携带很不方便。因此需要一种不会对微波电场产生干扰、灵敏度高以及体积小巧的微波探测方法及装置。
发明内容
本发明为解决目前微波场探测所用设备易对微波场产生干扰的技术问题，提供一种基于Rydberg原子的微波感应方法及装置。
本发明所述基于Rydberg原子的微波感应方法是采用以下技术方案实现的：一种基于Rydberg原子的微波感应方法，（a）将两束激光合束并扩束后入射至一个充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池中，所述第一束激光的频率与样品池中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振，第二束激光的频率与第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；（b）将经样品池出射的光中频率与第二束激光相同的光过滤掉，采集剩余的激光信号并将其转换为相应的电信号；（c）观察采集到的电信号的强度变化，若样品池所在位置无微波场，则碱金属原子与两束激光满足电磁感应透明条件，采集到的电信号是第一束激光的平坦的背景信号；如果样品池所在位置存在微波场，则碱金属原子与两束激光不满足电磁感应透明条件，采集到的是第一束激光的强度减小的信号，则可判断出样品池所在位置有微波场的存在。
Rydberg原子是外层电子被激发到主量子数n很大(n>>1)的激发态原子, 具有相互作用强（n4）, 辐射寿命长（n3）, 能级间隔小（n-3）等奇特性质因而一直受到人们的广泛关注。Rydberg原子具有较大的极化率, 极易受到外场的影响, 其相邻能级间隔处于微波波段，因此利用微波耦合Rydberg原子相邻能级间的跃迁；反之，也可以用Rydberg原子来感应和探测微波场的变化。
两束激光经合束后再扩束，入射到样品池中，其中第一束激光频率与样品池中碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁频率共振，第二束激光频率与样品池中碱金属原子的第一激发态到Rydberg态的跃迁频率共振；扩束后的激光可以增强光与原子共振作用的效果，以满足实际探测的要求。基态、第一激发态、Rydberg态、以及两束激光构成阶梯型三能级系统。样品池中的碱金属原子在两束共振激光的作用下，由于量子相干效应，原子对第一束激光不吸收，这种现象称作电磁感应透明现象。
没有微波时, 由于阶梯型三能级系统满足电磁感应透明条件，样品池中的碱金属原子对于第一束激光不吸收，两束激光直接穿过样品池，其中第二束激光被过滤掉，采集到的光信号在转换成相应的电信号后呈现出由第一束激光形成的背景信号；当有微波存在时，微波与Rydberg原子相互作用，将Rydberg原子耦合到相邻的激发态上，破坏了电磁感应透明条件，样品池中的碱金属原子强烈的吸收第一束激光的能量，采集到的信号强度相比于无微波场时明显减小，这就表明样品池所在位置有微波场的存在。
本发明所述的基于Rydberg原子的微波感应装置是采用以下技术方案实现的：一种基于Rydberg原子的微波感应装置，包括第一激光发射装置和第二激光发射装置；两个激光发射装置的出射端分别通过第一光纤和第二光纤耦合到一个光纤合束器；光纤合束器的一个出射端连接有第三光纤，第三光纤的出射光路上顺次设有第一凸透镜、内部充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池、滤光片、第二凸透镜以及光电探测器；光电探测器的信号输出端连接有计算机；所述第一激光发射装置所发射激光的频率与样品池中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振；第二激光发射装置所发射激光的频率与第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；滤光片过滤频率为第二激光发射装置发射激光的频率。
工作时，两个激光发射装置发射的激光分别通过第一光纤、第二光纤进入光纤合束器，光纤合束器将这两束激光合束，使合束后的激光同时在第三光纤中传输，这两束光同时从第三光纤出射后，经第一凸透镜扩束后入射到样品池中，其中第一束激光与样品池中碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，第二束激光与样品池中碱金属原子的第一激发态到Rydberg态的跃迁共振。第一凸透镜起到将两束合束的激光扩束的作用，以使激光能以较大的入射面入射至样品池中，增强光与原子共振作用的效果；出射后的激光中的第二束激光被过滤掉，透射的光被第二凸透镜聚焦后被光电探测器采集并被转化为相应的电信号，该电信号通过计算机的显示屏显示出来，通过计算机的显示屏上的图像的变化就可以判断出样品池所在位置有无微波场的存在。无微波场时，电信号在显示屏上呈平坦的背景信号；如果有微波场存在时，电信号就呈现出明显的强度减小；电信号是在相应软件的支持下通过计算机的显示屏显示出来的，所述相应软件是本领域技术人员易于编写的。
进一步的，所述样品池为内部呈空心的由石英玻璃制成的圆柱形结构，所述第三光纤出射的激光垂直入射至圆柱形样品池的一个外端面上；圆柱的两个外端面之间的间距为1.95~2.05mm；圆柱的直径为11.0~12.0mm；石英玻璃的厚度为1.90~2.0mm。
激光垂直入射至圆柱形样品池的一个外端面上，是由于原子在这个方向的运动范围为微米量级，以这种方式入射可以减小多普勒效应的影响。所述的样品池材料为石英玻璃，其几何形状为超薄圆柱型，样品池中填充有碱金属原子蒸气。样品池这种特殊的几何尺寸的设置与现有的样品池相比，大大压缩了样品池中原子在激光方向的运动范围，减小了多普勒效应，提高了感应的灵敏度；样品池体积小巧，便于携带以及集约在一个便携式的外壳内。
本发明解决了现有微波感应技术体积庞大、探测灵敏度低的问题。采用本发明所述的基于Rydberg原子的微型微波感应器可以快速准确地测量出环境中是否存在微波场。
附图说明
图1是本发明所述的基于Rydberg原子的微型微波感应装置的结构示意图。
图2是本发明所述的基于Rydberg原子的微型微波感应装置的样品池的主视结构示意图。
图3所述样品池的侧视结构示意图。
图4是实现本发明所述的基于Rydberg原子的微波感应方法及装置的双光子激发和能级结构示意图。
1-第一激光发射装置，2-第二激光发射装置，3-第一光纤，4-第二光纤，5-光纤合束器，6-第三光纤，7-第一凸透镜，8-样品池，9-滤光片，10-第二凸透镜，11-光电探测器，12-计算机，13-支撑座。
具体实施方式
一种基于Rydberg原子的微波感应方法，（a）将两束激光合束并扩束后入射至一个充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池中，所述第一束激光的频率与样品池中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振，第二束激光的频率与第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；（b）将经样品池出射的光中频率与第二束激光相同的光过滤掉，采集剩余的激光信号并将其转换为相应的电信号；（c）观察采集到的电信号的强度变化，若样品池所在位置无微波场，则碱金属原子蒸汽与两束激光满足电磁感应透明条件，采集到的电信号是第一束激光的平坦的背景信号；如果样品池所在位置存在微波场，则碱金属原子与两束激光不满足电磁感应透明条件，采集到的是第一束激光的强度减小的信号，则可判断出样品池所在位置有微波场的存在。
一种基于Rydberg原子的微波感应装置，包括第一激光发射装置1和第二激光发射装置2；两个激光发射装置的出射端分别通过第一光纤3和第二光纤4耦合到一个光纤合束器5；光纤合束器5的一个出射端连接有第三光纤6，第三光纤6的出射光路上顺次设有第一凸透镜7、内部充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池8、滤光片9、第二凸透镜10以及光电探测器11；光电探测器11的信号输出端连接有计算机12；所述第一激光发射装置1所发射激光的频率与样品池8中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振；第二激光发射装置2所发射激光的频率与第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；滤光片9过滤频率为第二激光发射装置2发射激光的频率。
所述样品池8为内部呈空心的由石英玻璃制成的圆柱形结构，所述第三光纤6的出射激光垂直入射至圆柱形样品池8的一个端面上；圆柱的两个外端面之间的间距为1.95~2.05mm（可选择1.95mm、2.00mm、2.05mm）；圆柱的外直径为11.0~12.0mm（可选择11.0mm、11.05mm、12.0mm）；石英玻璃的厚度为1.90~2.0mm（可选择1.90mm、1.95mm、2.00mm）。
所述样品池8中的气体为铯原子蒸汽；第一激光发射装置1的出射激光中心波长是852nm；第二激光发射装置2的出射光中心波长是510nm；滤光片9为510nm滤光片。图2中的D表示样品池圆柱面外端面的直径；d代表内端面的直径；样品池通过一个支撑座13支撑，支撑座13的高度h一般为5.00mm；图3中的m表示两个外端面的间距，n表示内端面之间的间距。
所述光电探测器11为雪崩光电探测器。
使第一激光发射装置1发射的激光（第一激发光）与样品原子（铯原子）的基态和第一激发态的跃迁共振（如铯原子6S1/2(F=4) 
6P3/2(F’=5)的跃迁），频率为852nm，同时第二激光发射装置2发射的激光（第二激发光）与第一激发态和Rydberg态的跃迁共振(铯原子6P3/2(F’=5) nS/nD的跃迁)，频率为510nm，滤光片为510nm滤光片9。由基态、第一激发态、Rydberg态、第一和第二激发光构成阶梯型三能级系统，见图4所示。
没有微波时, 由于阶梯型三能级系统满足电磁感应透明条件，样品原子对于第一激光不吸收（即透明），探测器可探测到一背景信号。有微波存在时，微波与Rydberg原子相互作用，破坏了电磁感应透明条件, 样品原子强烈的吸收第一激发光，探测器探测到的信号减小。这样根据光电探测器11探测到的信号可知是否有微波信号存在。
滤光片可以滤掉第二激光发射装置2发射的激光，高灵敏的雪崩光电探测器11能保证即使很微弱的光信号也可以探测出来。
具体实施时，所述的第一凸透镜7、第二凸透镜10均为直径为10毫米、带宽为450－900nm的凸透镜；所述的样品池8材料为石英玻璃，其几何形状如图2、3所示的超薄圆柱型；所用光电探测器11采用滨松公司的S3884雪崩光电探测器。
Claims (6)
1.一种基于Rydberg原子的微波感应方法，其特征在于，（a）将两束激光合束并扩束后入射至一个充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池中，所述第一束激光的频率与样品池中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振，第二束激光的频率与第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；（b）将经样品池出射的光中频率与第二束激光相同的光过滤掉，采集剩余的激光信号并将其转换为相应的电信号；（c）观察采集到的电信号的强度变化，若样品池所在位置无微波场，则碱金属原子与两束激光满足电磁感应透明条件，采集到的电信号是第一束激光的平坦的背景信号；如果样品池所在位置存在微波场，则碱金属原子与两束激光不满足电磁感应透明条件，采集到的是第一束激光的强度减小的信号，则可判断出样品池所在位置有微波场的存在。
2.一种基于Rydberg原子的微波感应装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括第一激光发射装置（1）和第二激光发射装置（2）；两个激光发射装置的出射端分别通过第一光纤（3）和第二光纤（4）耦合到一个光纤合束器（5）；光纤合束器（5）的一个出射端连接有第三光纤（6），第三光纤（6）的出射光路上顺次设有第一凸透镜（7）、内部充有碱金属原子蒸汽的透明的样品池（8）、滤光片（9）、第二凸透镜（10）以及光电探测器（11）；光电探测器（11）的信号输出端连接有计算机（12）；所述第一激光发射装置（1）所发射激光的频率与样品池（8）中碱金属原子的基态至第一激发态的跃迁频率共振；第二激光发射装置（2）所发射激光的频率与样品池（8）中碱金属原子的第一激发态至Rydberg态的跃迁频率共振；滤光片（9）过滤频率为第二激光发射装置（2）发射激光的频率。
3.如权利要求2所述的基于Rydberg原子的微波感应装置，其特征在于，所述样品池（8）为由石英玻璃制成的圆柱形结构且内部呈空心，所述第三光纤（6）的出射激光垂直入射至圆柱形样品池（8）的一个外端面上；圆柱的两个外端面之间的间距为1.95~2.05mm；圆柱的外直径为11.0~12.0mm；石英玻璃的厚度为1.90~2.0mm。
4.如权利要求2或3所述的基于Rydberg原子的微波感应装置，其特征在于，所述样品池（8）中的气体为铯原子蒸汽；第一激光发射装置（1）的出射激光中心波长是852nm；第二激光发射装置（2）的出射光中心波长是510nm；滤光片（9）为510nm滤光片。
5.如权利要求2或3所述的基于Rydberg原子的微波感应装置，其特征在于，所述光电探测器（11）为雪崩光电探测器。
6.如权利要求4所述的基于Rydberg原子的微波感应装置，其特征在于，所述光电探测器（11）为雪崩光电探测器。
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