CN104714110A - 基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面微弱高频微波场强测量技术，具体为一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。本发明的技术特点：利用特别设计的样品吸收池结构实现对表面微弱微波场强的高灵敏度，高精确度的探测，通过里德堡态原子的量子相干效应可以将原子线的分裂和微波场强联系起来，这样可以将微波场强的测量溯源到原子跃迁线的频率标准，利用两者的线性关系可以实现此装置的自校准，同时由于高里德堡态对微弱微波场的高灵敏响应，可以使高频率微波场的探测灵敏度达到0.1mV/m甚至10mV/m。同时整个探测装置结构，稳定性强，对微波扰动很小。

Description

基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法

技术领域

本发明涉及表面微弱高频微波场强测量技术，具体为一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。

背景技术

微波测量是对微波信号有关参数的测量技术,主要测量对象有：功率、频率或波长等。从1880年开始到现在,由赫兹开创的测量微波场的方法以及校准设备的标准几乎没有变化。微波电场强度的精确测量是射频信号设计的关键,对于避免在数字设备间的干扰,保证无线电设备附近人员的安全,以及进行现有传感器和测试设备的校准方面具有广泛的应用。在传统的微波测量中,微波设备与微波波长的尺寸相近，传感器的尺寸从几毫米到几厘米不等,占用了较大空间。而且在传感器的顶部使用了金属部件,特别是进行表面电磁场测量时，在测量中会产生明显的干扰，导致测量的灵敏度不高。同时这些传感器在参考测量设备中的校准耗费很高,不确定度为-0.5到+0.5dB之间。同时传统的测量技术在测量频率范围上受到局限,较好的热功率计,也只能测量频率在50G-110GHz范围的频率。因此发展新型的探测器一直以来都是电子信息领域特别是测量领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决目前传统微波测量技术在测量频率范围上受到局限且测量精度不高的技术问题，提供一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。

本发明所述基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置是采用以下技术方案实现的：一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，包括第一步激发激光器、第二步激发激光器以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池；第一步激发激光器出射端通过光纤连接有光纤调制器；光纤调制器的出射端通过光纤与样品池的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器；光纤耦合/分束器的一个出射端通过光纤与样品池的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器；还包括参考信号源，参考信号源的一个信号输出端与光纤调制器的信号输入端连接，参考信号源的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器；光电探测器的信号输出端也与数字锁相放大器相连接；数字锁相放大器的信号输出端连接有信号采集装置；所述样品池及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振。

本发明的目的是提供一种基于量子测量的结构简单，灵敏度高，精确度高的进行表面微波场强探测的新型传感器技术以及相关装置。

本发明是基于碱金属里德堡原子量子相干效应即电磁诱导透明效应进行微波场强测量的新型方法和相关装置。具体来讲，如图1所示，两束不同频率的激光分别进入特殊设计的样品池(如图2、3)，将样品池内的碱金属原子从基态激发到里德堡态，激发机制如图4所示(以铯原子为例)。样品池的设计是使双光子激发的两步激光采用对射的方式，这样样品原子能够同时与两束激发光发生作用，样品原子速度分布近似为零，这样当扫描激光频率时，探测第一步探测激光的光强变化，就可以获得高分辨的无多普勒里德堡态吸收光谱。当样品池下壁接近待测表面时，在微波场强的作用下，里德堡态原子在高能态之间发生能级移动，如图4虚线所示，扫描第一步激发光时可以获得电磁诱导透明的分裂光谱，通过光谱分裂的大小可以计算得到微波场强的大小。

进一步的，两个光纤耦合头的角度可调；样品池内侧镀有宽带高反射膜；样品池采用石英玻璃加工。样品池使用石英玻璃设计，可以有效的减少对待测微波场的影响。

本发明所述基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法是采用以下技术方案实现的：一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法，包括以下步骤：(1)、第一步激发激光器输出的激发光首先进入光纤调制器，被参考信号源提供的参考信号调制，然后耦合入光纤，并经过样品池上的第一光纤耦合头进入样品池并作用在样品原子上；第一步激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振，调节第一光纤耦合头的角度使得第一步激发光可以由第二光纤耦合头输出，再由光纤耦合/分束器输出到光电探测器；

(2)、第二步激发激光器输出的激发光通过光纤耦合/分束器进入样品池上的第二光纤耦合头，扫描第二步激发光的波长，当波长共振在样品原子第一激发态到某个特定的里德堡态之间的共振跃迁处，则第二步激发光将被吸收；此时锁定第二步激发光的波长，扫描第一步激发激光器的波长，通过光电探测器可以获得相应电磁感应透明光谱信号；

(3)、当样品池下表面接近待测微波场物体表面时，由于微波场强的影响将导致样品原子的里德堡态发生转移行为，此时扫描第一步激发光频率，电磁感应透明光谱上将发生分裂：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{prob\ϵ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\λ}}_p}\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{RF}}}{2\mathrm{\π}}$

                                            ①，

式中Ω_RF为微波场的拉比频率,其正比于微波场的场强E；λ_τ，λ_p分别为第二激发光与第一激发光的波长；

(4)、光电探测器将采集到的电信号送入数字锁相放大器进行解调和放大，数据采集装置就可以获得高灵敏高分辨的EIT光谱，并在相应软件(LabVIEW软件)的支持下，根据公式①计算得出待测微波场的信号强度E。

进一步的，样品池内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。

进一步的，所述光电探测器采用高灵敏光电探侧器。

样品池采用内壁镀宽带高反射率膜的设计，镀膜带宽覆盖400-900nm，以及特殊设计的光路结构可以使得激光在样品池内多次反射，如图2中样品池内虚线所示的光路，有效提高了光与原子相互作用的路径长度，增强了测量信号的信噪比。使激光在样品池内多次反射是本领域的常规手段。同时本方案采用光纤调制器对第一步激发光进行频率调制，吸收信号通过高灵敏的光电探测器进入数字锁相放大器进行解调放大可以获得高信噪比的吸收光谱。

本发明的技术特点：利用特别设计的样品吸收池结构实现对表面微弱微波场强高的灵敏度，高精确度的探测，通过里德堡态原子的量子相干效应可以将原子线的分裂和微波场强联系起来，这样可以将微波场强的测量溯源到原子跃迁线的频率标准，利用两者的线性关系可以实现此装置的自校准，同时由于高里德堡态对微弱微波场的高灵敏响应特点,可以实现高频率微波场的探测，探测灵敏度可以达到0.1mV/m甚至10μV/m。同时整个装置结构简单稳定，对待测微波场的扰动很小。

附图说明

图1是本发明所述的基于里德堡原子量子相干效应的表面微弱微波场高灵敏探测装置结构示意图。

图2为所述的样品池的结构示意图。

图3为样品池测量方式示意图。

图4为所述的两步激光激发里德堡原子以及微波场作用下里德堡能级分裂的示意图。

1-第一步激发激光器(DL100，Toptica)，2-第二步激发激光器(SHG110，Toptica)，3-光纤调制器，4-样品池，5-光纤耦合/分束器，6-参考信号源，7-数字锁相放大器(SR830，Stanford Research)，8-光电探测器，9-信号采集装置，10-待测微波场物体,a-第一光纤耦合头,b-第二光纤耦合头。

具体实施方式

一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，包括第一步激发激光器1、第二步激发激光器2以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池4；第一步激发激光器1出射端通过光纤连接有光纤调制器3；光纤调制器3的出射端通过光纤与样品池4的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器2的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器5；光纤耦合/分束器5的一个出射端通过光纤与样品池4的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器5的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器8；还包括参考信号源6，参考信号源6的一个信号输出端与光纤调制器3的信号输入端连接，参考信号源6的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器7；光电探测器8的信号输出端也与数字锁相放大器7相连接；数字锁相放大器7的信号输出端连接有信号采集装置9；所述样品池4及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器1出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器2出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振。

样品池4内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。

两个光纤耦合头的角度可调；样品池4内侧镀有宽带高反射膜；样品池4采用石英玻璃加工。

1.第一步激发激光器1输出光首先进入光纤调制器3，被参考信号源6提供的参考信号调制，然后耦合入光纤，连接至样品池4上的第一光纤耦合头a按照一定角度进入样品池4作用在原子蒸汽上。第一步激发光波长(如852.36nm)与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振(如铯原子6S_1/2(F＝4)→6P_3/2(F’＝5)的跃迁)。调节第一光纤耦合头a的角度使得第一步激发光可以由第二光纤耦合头b输出，再由光纤耦合/分束器5输出到高灵敏光电探测器8。

2.第二步激发激光器2输出光的波长(如510nm)通过光纤耦合/分束器5进入样品池上的第二光纤耦合头b，扫描第二步激发激光器的波长，当波长共振在第一激发态到某个特定的里德堡态之间的共振跃迁(如铯原子6P_3/2(F’＝5)→nS/nD的跃迁)处，则第二步激发光将被吸收。此时锁定第二步激发激光器的波长，通过声光调制器扫描第一步激发激光器1的波长，通过高灵敏光电探测器8可以获得相应电磁感应透明光谱信号。样品池的两侧光纤耦合头a、b采用可调角度的设计，这样可以获得两步激发光的光路重合。

3.当样品池下表面接近待测微波场物体表面时，如图2所示，由于在微波场强的影响将导致里德堡态的态转移行为，也就是说微波场将使得两个里德堡态发生耦合，发生如图4中从nS/nD态到nP/nF态的跃迁。此时扫描第一步激发光频率电磁诱导透明光谱上将发生分裂：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{prob\ϵ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\λ}}_p}\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{RF}}}{2\mathrm{\π}},$

Ω_RF为微波场的拉比频率,其正比于微波场的场强E。λ_τ，λ_p分别为耦合光与探测光波长。因此测量EIT信号的分裂就能直接得到微波信号强度E。即通过测量分裂的宽度就可以获得微波信号的强度。

4.由于里德堡态的激发几率比较低，同时样品原子的吸收路径较短，因此吸收光谱的信号很微弱。本发明为获得高分辨的吸收光谱使用光纤调制器3对第一步激发光进行调制，在高灵敏光电探测器8获得的电信号，被送入数字锁相放大器7进行解调和放大，数据采集装置9可以获得高灵敏高分辨的EIT光谱。

具体实施时，所述的样品池使用石英玻璃加工，尺寸如图3所示，样品池内充入饱和蒸气压的金属铯。在样品池两侧的位置嵌入光纤耦合头，光纤耦合头入射角度可调，可以使得两束光共线。在样品池内内侧镀宽带高反射率膜，使得激光在样品池内获得多次反射，增加原子和光的作用有效长度，可以极大提高信噪比。样品池的内侧厚度为0.1-5mm左右，这样在测量微波场强度时针对不同的测量场合选择不同的厚度，以增加测量的精度。

所述的高灵敏光电探测器采用Perkin-Elmer生产的SPCM-AQR-15型单光子探测器。这样可以极大提高测量精度和灵敏度。

Claims (6)

1.一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，包括第一步激发激光器(1)、第二步激发激光器(2)以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池(4)；第一步激发激光器(1)出射端通过光纤连接有光纤调制器(3)；光纤调制器(3)的出射端通过光纤与样品池(4)的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器(2)的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器(5)；光纤耦合/分束器(5)的一个出射端通过光纤与样品池(4)的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器(5)的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器(8)；还包括参考信号源(6)，参考信号源(6)的一个信号输出端与光纤调制器(3)的信号输入端连接，参考信号源(6)的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器(7)；光电探测器(8)的信号输出端也与数字锁相放大器(7)相连接；数字锁相放大器(7)的信号输出端连接有信号采集装置(9)；所述样品池(4)及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器(1)出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器(2)出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振。

2.如权利要求1所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，样品池(4)内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。

3.如权利要求1或2所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，两个光纤耦合头的角度可调；样品池(4)内侧镀有宽带高反射膜；样品池(4)采用石英玻璃加工。

4.采用如权利要求1所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置测量高频微波场强的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、第一步激发激光器(1)输出的激发光首先进入光纤调制器(3)，被参考信号源(6)提供的参考信号调制，然后耦合入光纤，并经过样品池(4)上的第一光纤耦合头进入样品池(4)并作用在样品原子上；第一步激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振，调节第一光纤耦合头的角度使得第一步激发光可以由第二光纤耦合头输出，再由光纤耦合/分束器(5)输出到光电探测器(8)；

(2)、第二步激发激光器(2)输出的激发光通过光纤耦合/分束器(5)进入样品池(4)上的第二光纤耦合头，扫描第二步激发光的波长，当波长共振在样品原子第一激发态到某个特定的里德堡态之间的共振跃迁处，则第二步激发光将被吸收；此时锁定第二步激发光的波长，扫描第一步激发激光器(1)的波长，通过光电探测器(8)可以获得相应电磁感应透明光谱信号；

(3)、当样品池(4)下表面接近待测微波场物体(10)表面时，由于微波场强的影响将导致样品原子的里德堡态发生转移行为，此时扫描第一步激发光频率，电磁感应透明光谱上将发生分裂：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{probe}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\λ}}_p}\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{RF}}}{2\mathrm{\π}}$   ①，

式中Ω_RF为微波场的拉比频率,其正比于微波场的场强E；λ_τ，λ_p分别为第二激发光与第一激发光的波长；

(4)、光电探测器(8)将采集到的电信号送入数字锁相放大器(7)进行解调和放大，数据采集装置(9)就可以获得高灵敏高分辨的EIT光谱，并在相应软件的支持下，根据公式①计算得出待测微波场的信号强度E。

5.如权利要求4所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法，其特征在于，样品池(4)内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。

6.如权利要求4或5所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法，其特征在于，所述光电探测器(8)采用高灵敏光电探侧器。