CN104880614B - 基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法，所述微波电场强度计包括：真空系统，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团，该冷原子团用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；激光器，用于产生耦合光和探测光，将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；光电探测器，用于探测两束冷原子团因相干性而产生的干涉条纹；所述微波源，用于产生微波电场。本发明的微波电场强度计在相干分束与合束之间的演化过程中，让处在里德堡态的原子团与待测微波电场作用，产生交流斯塔克效应，将待测微波电场强度与交流斯塔克产生的相位关联起来，从而实现微波电场的精密测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波电场强度计及其测量方法，尤其是一种基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法，属于电场强度测量技术领域。
背景技术
2012年，美国Oklahoma大学的Shaffer研究组与德国Stuttgart大学的Pfau研究组合作首次利用热里德堡原子EIT和AT分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μVcm-1，灵敏度为远优于传统偶极天线微波电场计。紧接着在2013年，他们又在原来的实验基础上实现了微波偏振方向的测量，偏振测量精确度为0.5°。2014年，美国国家标准与技术研究院(NIST)实验上实现了从15GHz到105GHz的高精度微波电场测量和高分辨率的亚波长微波电场成像。
目前，实验测量和理论分析表明，基于热里德堡原子量子干涉效应的微波电场测量精度受限于探测光透明窗口的宽度。探测光透明窗口的宽度则受到激光线宽、渡跃展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素的影响。要进一步提高测量的灵敏度，一方面可以提高激光的稳定性，另一方面可以利用冷里德堡原子相干时间比热里德堡原子相干时间长的特点来压窄透明窗口的宽度。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种结构简单、操作方便、测量精确、可行性强，且易于实用化的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计。
本发明的另一目的在于提供一种上述基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计的测量方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，包括光电探测器、真空系统、激光器和微波源，所述光电探测器、激光器和微波源的发射方向均朝向真空系统，其中：
所述真空系统，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团，该冷原子团用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；
所述激光器，用于产生耦合光和探测光，将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；
所述光电探测器，用于探测两束冷原子团因相干性而产生的干涉条纹；
所述微波源，用于产生微波电场；
测量时，采用拉曼脉冲型原子干涉仪，在冷原子团扩散的某个特定时刻，作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，使冷原子从初态制备到基态与里德堡态的相干叠加态，处于里德堡态的冷原子与待测微波电场相互作用产生交流斯塔克效应，在交流斯塔克效应下，两个里德堡态有相对的能移，在这一过程中处于两个态的冷原子经历了两个不同的演化路径；再作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，让两路径冷原子团相干合束，进而产生干涉条纹，将冷原子团相干叠加态的相位差信息转化到干涉条纹的移动上；通过有微波电场与无微波电场情况下干涉条纹的移动测得相位差，测出微波电场的强度。
作为一种优选方案，所述作用一个π/2拉曼激光脉冲操作后，在冷原子团分束前，冷原子内态从初态制备到基态，冷原子团被分开后，冷原子处于基态与里德堡态的相干叠加态。
作为一种优选方案，所述相干叠加态表示为其中|0>和|1>分别选择的是冷原子内态的一个稳定基态和一个里德堡态。
作为一种优选方案，所述真空系统为玻璃真空腔。
作为一种优选方案，所述激光器产生的耦合光波长为480nm。
作为一种优选方案，所述激光器产生的探测光波长为780nm。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计的测量方法，所述方法将微波电场强度的测量，从频率测量转化为相位测量，包括以下步骤：
1)用耦合光和探测光通过绝热通道技术将冷原子从基态相干激发到里德堡态，制备拉曼脉冲型原子干涉仪的里德堡态；
2)以基态和里德堡态作为拉曼脉冲型原子干涉仪的两个内态，用微波实现干涉仪所需的门操作，此时待测微波电场与干涉仪量子态无相互作用，通过电离里德堡态探测其随几何相位改变时的布居数分布，得到干涉条纹；
3)通过实验选择合适的失谐量Δ，使能移最大，所述能移计算如下式：
δE(F)＝-1/2αF2
其中，α为在变化场下的动态极化率，F为外场强度；
在相互作用时间T内，里德堡态和辅助里德堡态积累的相位差为其中δE为能移，为约化普朗克常数；在弱场近似下，即Ω＜＜Δ，相位的大小依赖于相互作用的强度和相位积累时间T，相位差为φ；通过测量拉曼脉冲型原子干涉仪的干涉条纹的移动，测得相位差φ，求出待测微波电场的强度。
作为一种优选方案，步骤3)中，所述通过实验选择合适的失谐量Δ，具体为：锁定激光器的频率，然后通过声光调制器来调节激光的频率，也就是调节失谐量的大小。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的微波电场强度计，其测量技术结合了目前冷里德堡原子操控的技术，通过原子干涉仪测出干涉条纹的移动，能将微波电场测量精度提高一到两个数量级，从而为微波电场的精密测量研究提供新技术基础；同时，由于通过相位测量微波电场无需共振，因此可以实现连续频率扫描微波电场测量技术，从而弥补目前EIT和AT光谱测量技术只能实现点频测量的缺陷。
2、本发明的微波电场强度计，在相干分束与合束之间的演化过程中，让处在里德堡态的冷原子与待测微波电场作用，产生交流斯塔克(AC-Stark)效应，将待测微波电场强度与AC-Stark效应产生的相位关联起来，从而实现微波电场的精密测量。
3、本发明的微波电场强度计利用拉曼激光脉冲来操作冷原子团，根据里德堡原子态本身所具有的特性，如谱线的自然宽度较窄、能级寿命长、从高里德堡态自发跃迁到比较低的态的几率小、在弱电场中依旧具有较大的电偶极矩等，可以在较弱的电场下产生较强的相互作用，提高微波电场测量精度。
4、本发明的微波电场强度计具有自动校准，对待测微波电场干扰较小，不依赖于探头的物理尺寸等优势，对于当前器件小型化的时代，具有广阔的应用前景和科研价值。
附图说明
图1为本发明基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计结构示意图。
图2为本发明基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计原理示意图。
图3为本发明基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计能级结构示意图。
图4为本发明基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计能移结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，包括光电探测器1、真空系统2、激光器4和微波源5，所述光电探测器1、激光器4和微波源5的发射方向均朝向真空系统，其中：
所述真空系统2，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团3，其为玻璃真空腔，玻璃真空腔内为高真空，减小背景热原子对冷原子团3的影响，提高测量的精确度；所述冷原子团3用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；在本实施例中的原子为铷原子(Rb)；
所述激光器4，用于产生波长为480nm的耦合光和波长为780nm的探测光，将真空系统2中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；
所述光电探测器1，用于探测两束冷原子团3因相干性而产生的干涉条纹；
所述微波源5，用于产生微波电场。
测量时，采用拉曼脉冲型原子干涉仪，在冷原子团扩散的某个特定时刻，作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，使冷原子从初态制备到基态与里德堡态的相干叠加态，处于里德堡态的冷原子与待测微波电场相互作用产生交流斯塔克效应，在交流斯塔克效应下，两个里德堡态有相对的能移，在这一过程中处于两个态的冷原子经历了两个不同的演化路径；再作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，让两路径冷原子团相干合束，进而产生干涉条纹，将冷原子团相干叠加态的相位差信息转化到干涉条纹的移动上；通过有微波电场与无微波电场情况下干涉条纹的移动测得相位差，测出微波电场的强度。
所述作用一个π/2拉曼激光脉冲操作后，在冷原子团分束前，冷原子内态从初态制备到基态，冷原子团被分开后，冷原子处于基态与里德堡态的相干叠加态。
所述相干叠加态表示为其中|0>和|1>分别选择的是冷原子内态的一个稳定基态和一个里德堡态。
如图2所示，所述微波电场强度计中，6(|0>＝5S1/2)为冷原子内态的基态，7为第一个π/2拉曼激光脉冲操作(相当于光学中的分束镜)，使得冷原子团处在基态与里德堡态的相干叠加态，8为冷原子团中处于不同态原子所积累的不同相位δ与φ，9第二个π/2拉曼激光脉冲操作(相当于光学中的合束镜)，经过9的操作冷原子团相干合束，发生干涉效应10(cos(δ-φ)|0>)，形成待测物理量δ-φ；
如图3所示，所述微波电场强度计中，6(|0>＝5S1/2)和11(|1>＝53D5/2)分别为冷原子内态的基态和里德堡态(作为拉曼脉冲型原子干涉仪的两个内态)，通过激光的相干操作，可将冷原子制备到里德堡态11，即干涉仪的一个内态；12(5P3/2)为冷原子的一个基态能级，作为辅助能级；14为波长480nm的耦合光，15为波长780nm的探测光，作用是将冷原子激发到里德堡态；13(|3>＝54P3/2)为一个辅助里德堡态；16为作用在里德堡态11和辅助里德堡态13之间的微波电场。
上述S、P和D表示轨道角动量分别为0、1、2的原子内态。
如图2～图4所示，上述基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计的测量方法主要思想是将微波电场强度的测量，从频率测量转化为相位测量，包括以下步骤：
1)用耦合光和探测光通过绝热通道技术将冷原子从基态6(|0>＝5S1/2)相干激发到里德堡态11(|1>＝53D5/2)，制备拉曼脉冲型原子干涉仪的里德堡态11(|1>＝53D5/2)；
2)以基态6和里德堡态11作为拉曼脉冲型原子干涉仪的两个内态，用微波实现干涉仪所需的门操作，此时待测微波电场与干涉仪量子态无相互作用，通过电离里德堡态探测其随几何相位改变时的布居数分布，得到干涉条纹；
3)通过实验选择合适的失谐量Δ，使能移最大，所述能移计算如下式：
δE(F)＝-1/2αF2
其中，α为在变化场下的动态极化率，F为外场强度；
在相互作用时间T内，里德堡态11和辅助里德堡态13积累的相位差为其中δE为能移，为约化普朗克常数；在弱场近似下，即Ω＜＜Δ，相位的大小依赖于相互作用的强度和相位积累时间T，相位差为φ；通过测量拉曼脉冲型原子干涉仪的干涉条纹的移动，测得相位差φ，求出待测微波电场的强度。
步骤3)中，所述通过实验选择合适的失谐量Δ，具体为：锁定激光器的频率，然后通过声光调制器(AOM，全称Acousto-optical Modulators)来调节激光的频率，也就是调节失谐量的大小。
综上所述，本发明的测量技术结合了目前冷里德堡原子操控的技术，通过原子干涉仪测出干涉条纹的移动，能将微波电场测量精度提高一到两个数量级，从而为微波电场的精密测量研究提供新技术基础；同时，由于通过相位测量微波电场无需共振，因此可以实现连续频率扫描微波电场测量技术，从而弥补目前EIT和AT光谱测量技术只能实现点频测量的缺陷。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如冷原子团还可以为原子气体，原子干涉仪还可以采用几何原子干涉仪，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：包括光电探测器、真空系统、激光器和微波源，所述光电探测器、激光器和微波源的发射方向均朝向真空系统，其中：
所述真空系统，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团，该冷原子团用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；
所述激光器，用于产生耦合光和探测光，将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；
所述光电探测器，用于探测两束冷原子团因相干性而产生的干涉条纹；
所述微波源，用于产生微波电场；
测量时，采用拉曼脉冲型原子干涉仪，在冷原子团扩散的某个特定时刻，作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，使冷原子从初态制备到基态与里德堡态的相干叠加态，处于里德堡态的冷原子与待测微波电场相互作用产生交流斯塔克效应，在交流斯塔克效应下，两个里德堡态有相对的能移，在这一过程中处于两个态的冷原子经历了两个不同的演化路径；再作用一个π/2拉曼激光脉冲操作，让两路径冷原子团相干合束，进而产生干涉条纹，将冷原子团相干叠加态的相位差信息转化到干涉条纹的移动上；通过有微波电场与无微波电场情况下干涉条纹的移动测得相位差，测出微波电场的强度。
2.根据权利要求1所述的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：所述作用一个π/2拉曼激光脉冲操作后，在冷原子团分束前，冷原子内态从初态制备到基态，冷原子团被分开后，冷原子处于基态与里德堡态的相干叠加态。
3.根据权利要求1所述的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：所述相干叠加态表示为其中|0〉和|1〉分别选择的是冷原子内态的一个稳定基态和一个里德堡态。
4.根据权利要求1所述的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：所述真空系统为玻璃真空腔。
5.根据权利要求1所述的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：所述激光器产生的耦合光波长为480nm。
6.根据权利要求1所述的基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计，其特征在于：所述激光器产生的探测光波长为780nm。
7.基于权利要求1所述微波电场强度计的测量方法，其特征在于：所述方法将微波电场强度的测量，从频率测量转化为相位测量，包括以下步骤：
1)用耦合光和探测光通过绝热通道技术将冷原子从基态相干激发到里德堡态，制备拉曼脉冲型原子干涉仪的里德堡态；
2)以基态和里德堡态作为拉曼脉冲型原子干涉仪的两个内态，用微波实现干涉仪所需的门操作，此时待测微波电场与干涉仪量子态无相互作用，通过电离里德堡态探测其随几何相位改变时的布居数分布，得到干涉条纹；
3)通过实验选择合适的失谐量Δ，使能移最大，所述能移计算如下式：
δE(F)＝-1/2αF2
其中，α为在变化场下的动态极化率，F为外场强度；
在相互作用时间T内，里德堡态和辅助里德堡态积累的相位差为其中δE为能移，为约化普朗克常数；在弱场近似下，即Ω＜＜Δ，相位的大小依赖于相互作用的强度和相位积累时间T，相位差为φ；通过测量拉曼脉冲型原子干涉仪的干涉条纹的移动，测得相位差φ，求出待测微波电场的强度。
8.根据权利要求7所述的微波电场强度计的测量方法，其特征在于：步骤3)中，所述通过实验选择合适的失谐量Δ，具体为：锁定激光器的频率，然后通过声光调制器来调节激光的频率，也就是调节失谐量的大小。
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