CN106501624B - 基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于里德堡原子量子相干效应的微波场强二维分布测量方法。本发明所依赖的基本物理原理是，里德堡原子的典型电磁感应透明(EIT)峰在微波场的作用下发生分裂，微波场电场分量的强度信息可以由分裂峰的分裂间距得知。将单个的原子蒸汽池进行扩展，形成1×50的线性阵列，通过运动控制模块扫描该阵列的位置从而得到微波场强的二维空间分布。本发明的测量原理基于原子的跃迁频率与跃迁强度，因此具有高度的鲁棒性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及微波场在空间传播的场强测量技术，具体为基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法。
背景技术
微波在人们的日常生活以及军事科技等领域发挥着重要的作用，比如卫星通信，雷达探测等。微波场的场强测量及其空间分布是微波测量的重要组成部分。传统微波场的场强测量是利用以偶极天线或者微波喇叭为基础的场强仪或者频谱仪进行测量，该方法通过偶极天线接收微波信号，转换成场强仪输入电压进行探测。由于传统的场强测量方法是基于天线的，因此对于近场或者弱场探测，具有较大的误差。在微波场分布测量方面，传统方法是利用微波的热效应，反推微波的场强分布，这种方法需要使用具有热声效应的器件作为传感器，测量具有延迟性，且限于器件大小，空间分辨率不高。
发明内容
本发明提供一种基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法。利用里德堡原子的EIT-AT效应，测量探测光透射光谱分裂峰的裂距，获得微波场强大小；并且通过阵列单元感应蒸汽池，测量微波场的空间分布。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，采用原子蒸汽池感应阵列；所述原子蒸汽池感应阵列包括多个大小相同的棱形原子蒸汽池单元，所述每个棱形原子蒸汽池单元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多个棱形原子蒸汽池单元按照直角顶角朝向交替反向的规律顺次排列，相邻的棱形原子蒸汽池单元相邻的直角边之间相互紧贴；直角顶角朝向相同的多个棱形原子蒸汽池的斜边面位于同一平面上，共同构成原子蒸汽池感应阵列的两个相互平行的侧面；整个原子蒸汽池感应阵列在水平面的投影呈梯形或平行四边形；连接多个棱形原子蒸汽池单元的直角边中点的直线构成棱形原子蒸汽池的轴向；每个棱形原子蒸汽池单元内均充有同一种碱金属原子蒸汽；所述测量方法包括如下步骤：（a）、将探测光即作用于碱金属原子基态与第一激发态的弱光频率锁定在这两个能级的共振位置，并且通过分束器分成与棱形原子蒸汽池单元数目相同的多束，每束探测光均对应一个棱形原子蒸汽池单元；将每束探测光均从其对应的棱形原子蒸汽池单元的斜边面垂直入射至该棱形原子蒸汽池单元内，在棱形原子蒸汽池单元内通过两次全反射从相同斜边面出射；（b）、探测光经过每个棱形原子蒸汽池单元后均入射至一个CCD探测单元，通过对CCD探测单元进行位置编码，获得每个棱形原子蒸汽池单元光谱信息与位置的关联信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于碱金属原子的第一激发态与里德堡nS/nD能级，将耦合光分成两束，分别引至原子蒸汽池感应阵列的两个侧面所在的两侧，其中一束耦合光按照该侧棱形原子蒸汽池单元的排列顺序依次入射：入射至每个棱形原子蒸汽池单元内的耦合光光路均与步骤（a）中入射至该棱形原子蒸汽池单元的探测光反向重合，由第一个棱形原子蒸汽池单元出射的耦合光反射后入射至相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，然后出射的耦合光再经反射后入射至下一个相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，这样依次完成对该侧棱形原子蒸汽池单元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感应阵列的另一侧做相同的光路循环；（d）、扫描耦合光的频率，每个棱形原子蒸汽池单元对应的CCD探测单元都会得到无多普勒背景的探测光的EIT透射光谱；（e）、将该原子蒸汽池感应阵列置于微波环境中，当环境中的微波频率与满足电偶极跃迁的两个里德堡能级共振时，每个棱形原子蒸汽池单元的EIT透射谱都会发生特征分裂，利用谱线的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池单元测量的微波场强信息，通过步骤（b）绘制每个棱形原子蒸汽池单元中测得的场强大小与该棱形原子蒸汽池单元的位置关系便可以获得微波场在里德堡蒸汽池阵列轴向的一维分布；（f）、将原子蒸汽池感应阵列沿垂直阵列轴向的方向进行扫描，同时在每个扫描位置，保证原子蒸汽池感应阵列都能够测量得到阵列轴向的微波场分布，通过这样的方法可以得到微波场在二维平面的场分布。
本发明所述方法基于里德堡原子间的能级间隔处于微波频段，使用一套装置即可进行全微波段的微波场强测量。
本发明所述方法的工作原理如下：里德堡原子即高激发态原子，具有能级间隔小，相近里德堡态间跃迁偶极矩大的特点，里德堡原子所具有的这两种特性使其成为微波测量，特别是弱场测量理想感应元件。本方法涉及的装置结构如图1所示，其中3为一个棱形原子蒸汽池单元，其结构为等腰直角三角形原子蒸汽池(为阐明阵列结构，已将斜边进行压缩)，图中探测光1经过分束分别导入棱形原子蒸汽池单元中，在两直角边经过全反射后通过一个双色镜2(探测光高透、耦合光高反)进入CCD探测单元5进行探测，耦合光4分为两束，分别从阵列两侧进入棱形原子蒸汽池单元，在每个蒸汽池中，经过镀有耦合光波段高反膜的直角边两次反射再通过一个双色镜2(探测光高透、耦合光高反)进入同侧的相邻棱形原子蒸汽池单元，以此类推。两束光的直径皆为百微米量级。图1所示的棱形原子蒸汽池单元的斜边尺寸为10mm，壁厚0.5mm，考虑激光功率以及分光效率，阵列由50个相同蒸汽池交叉粘合组成。整个光路以及探测系统固定于运动控制平移台6上，可以进行阵列轴向及其垂直方向的步进小于1mm的平移操作。
图2所示为本方法的原理所依据的光场以及原子能级示意图，其中探测光激发铯原子6S1/2->6P3/2的跃迁，并将其频率锁定在该跃迁共振频率；耦合光耦合6P3/2与里德堡nS/nD能级，通过扫描耦合光频率，获得探测光的EIT透射光谱。当有微波场作用的时候，如果其频率相等于激发获得的nS/nD里德堡态与允许电偶极跃迁的相近里德堡态的能级间隔，则原子在该微波场的作用下，里德堡能级发生AT分裂，探测光的EIT透射光谱也会产生分裂，分裂峰的间距与微波场的拉比频率ΩMW相等，由拉比频率的表达式可知：
其中为两个里德堡能级间的偶极跃迁矩阵元，|E|为微波电场强度。
因此微波场强可以表示为：
通过测量探测光EIT透射峰的分裂间隔Δf便可以得到微波场强的大小。
原子蒸汽池感应阵列以及CCD探测阵列所处的微波环境中，如果微波场在空间分布是不均匀的，则通过每个棱形原子蒸汽池单元所测量得到的探测光透射光谱的分裂大小各不不同，进而获得各个棱形原子蒸汽池单元所处位置的微波场强大小，将测得的微波场强大小与蒸汽池单元的位置信息进行关联，则可以得到微波场的空间二维分布。
采用本发明所述方法进行微波场强空间二维分布的测量，具有可测微波频率带宽大的特点，覆盖频率从100MHz~100GHz，尤其对于近场或者弱场测量具有原理性的优势。
附图说明
图1是本发明基于里德堡原子量子相干效应的微波场强二维分布成像方法的结构装置示意图。
1-探测光，2-双色镜(耦合光高反探测光高透)，3-棱形原子蒸汽池单元，4-耦合光，5-CCD探测单元，6-运动控制平移台。
图2是本发明方法所述的光场、微波场以及原子能级示意图。
图3为通过平移单个原子蒸汽池所测量的fMW为32.6GHz左右的微波场强一维分布，其空间分辨率<1mm。
图4为单个棱形原子蒸汽池单元测量得到的fMW为6.9GH左右的微波场强二维空间分布，其空间分辨率<1mm。
具体实施方式
一种基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，采用原子蒸汽池感应阵列；所述原子蒸汽池感应阵列包括多个大小相同的棱形原子蒸汽池单元，所述每个棱形原子蒸汽池单元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多个棱形原子蒸汽池单元按照直角顶角朝向交替反向的规律顺次排列，相邻的棱形原子蒸汽池单元相邻的直角边之间相互紧贴；直角顶角朝向相同的多个棱形原子蒸汽池的斜边面位于同一平面上，共同构成原子蒸汽池感应阵列的两个相互平行的侧面；整个原子蒸汽池感应阵列在水平面的投影呈梯形或平行四边形；连接多个棱形原子蒸汽池单元的直角边中点的直线构成棱形原子蒸汽池的轴向；每个棱形原子蒸汽池单元内均充有同一种碱金属原子蒸汽；所述测量方法包括如下步骤：（a）、将探测光即作用于碱金属原子基态与第一激发态的弱光频率锁定在这两个能级的共振位置，并且通过分束器分成与棱形原子蒸汽池单元数目相同的多束，每束探测光均对应一个棱形原子蒸汽池单元；将每束探测光均从其对应的棱形原子蒸汽池单元的斜边面垂直入射至该棱形原子蒸汽池单元内，在棱形原子蒸汽池单元内通过两次全反射从相同斜边面出射；（b）、探测光经过每个棱形原子蒸汽池单元后均入射至一个CCD探测单元，通过对CCD探测单元进行位置编码，获得每个棱形原子蒸汽池单元光谱信息与位置的关联信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于碱金属原子的第一激发态与里德堡nS/nD能级，将耦合光分成两束，分别引至原子蒸汽池感应阵列的两个侧面所在的两侧，其中一束耦合光按照该侧棱形原子蒸汽池单元的排列顺序依次入射：入射至每个棱形原子蒸汽池单元内的耦合光光路均与步骤（a）中入射至该棱形原子蒸汽池单元的探测光反向重合，由第一个棱形原子蒸汽池单元出射的耦合光反射后入射至相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，然后出射的耦合光再经反射后入射至下一个相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，这样依次完成对该侧棱形原子蒸汽池单元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感应阵列的另一侧做相同的光路循环；（d）、扫描耦合光的频率，每个棱形原子蒸汽池单元对应的CCD探测单元都会得到无多普勒背景的探测光的EIT透射光谱；（e）、将该原子蒸汽池感应阵列置于微波环境中，当环境中的微波频率与满足电偶极跃迁的两个里德堡能级共振时，每个棱形原子蒸汽池单元的EIT透射谱都会发生特征分裂，利用谱线的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池单元测量的微波场强信息，通过步骤（b）绘制每个棱形原子蒸汽池单元中测得的场强大小与该棱形原子蒸汽池单元的位置关系便可以获得微波场在里德堡蒸汽池阵列轴向的一维分布；（f）、将原子蒸汽池感应阵列沿垂直阵列轴向的方向进行扫描，同时在每个扫描位置，保证原子蒸汽池感应阵列都能够测量得到阵列轴向的微波场分布，通过这样的方法可以得到微波场在二维平面的场分布。
每个棱形原子蒸汽池单元的斜边面都配有一个或一对探测光高透耦合光高反的双色镜，以保证探测光透射、耦合光反射且反射的耦合光进入相邻的下一个棱形原子蒸汽池单元内；所述的CCD探测单元分别位于进入每个棱形原子蒸汽池单元的探测光出射光路所对应的双色镜的透射光路上；多个棱形原子蒸汽池单元的CCD探测单元构成探测器阵列，并行测量得到探测光的总透射光谱。
所述原子蒸汽池感应阵列、相配的CCD探测单元和双色镜均位于一个运动控制平移台之上，以实现对于待测微波环境的二维测量。
所使用的棱形原子蒸汽池单元利用了探测光的全反射原理构成光路，需要在棱形原子蒸汽池单元两个直角边镀耦合光的高反射膜，以保证耦合光的反射效率。
为了保证微波频率的宽带适应性(100MHz~100GHz)，棱形原子蒸汽池单元的斜边尺寸<10mm。
每个棱形原子蒸汽池单元对应的CCD探测单元尺寸<1mm。
通过运动控制模块操控原子蒸汽池感应阵列的移动扫描速度要远小于激光扫描频率，使得原子蒸汽池感应阵列在每一个扫描位置，都可以得到该位置阵列轴向的微波场一维分布，原子蒸汽池感应阵列的扫描步进<1mm。
使用数据采集以及处理模块对CCD探测器阵列的采集时序进行控制并进行数据处理得到微波场的二维分布。
本发明的仪器装置包括，a.探测光与耦合光分束器，其中探测光所需光强较弱，因此经过两路分束后，每路可以再分为25路，共50路光束，分别经棱形原子蒸汽池单元斜边入射，经过两次全反射，由同一斜边出射，由CCD探测单元探测；耦合光所需光强较大，因此经过分束器分为两束，每一束满足原子蒸汽池感应阵列一侧的使用，在棱形原子蒸汽池单元内经过高反射膜反射与探测光反向重合，在蒸汽池外经过两个双色镜(探测光高透耦合光高反)的反射进入同侧相邻棱形原子蒸汽池单元；b.关联的CCD探测单元，每个CCD探测单元由计算机进行编码以及光谱数据采集，以获得每个棱形原子蒸汽池单元所测微波场强与位置的关系；c.运动控制平移台，利用计算机对运动控制平移台的扫描平移速度进行控制，完成微波场强的二维空间分布测量。
图1中，探测光分为多束后，分成两部分，一部分从原子蒸汽池感应阵列一侧的多个棱形原子蒸汽池单元斜边入射，经过两次反射后出射；另一部分从原子蒸汽池感应阵列另一侧的多个棱形原子蒸汽池单元斜边入射并出射。图1中耦合光由右向左分别入射至棱形原子蒸汽池单元内，图中最左端的棱形原子蒸汽池单元的斜边外设有一个双色镜，双色镜外还设有CCD探测单元，用于采集探测光；与该棱形原子蒸汽池单元相邻的棱形原子蒸汽池单元的斜边外设有一对双色镜，为叙述方便称作第一双色镜和第二双色镜（图1中下方左起第二和第三个双色镜）；第一双色镜用于探测光入射至对应的棱形原子蒸汽池单元，第二双色镜用于探测光从该棱形原子蒸汽池单元透射出并被CCD探测单元探测；第二双色镜还用于将邻近耦合光反射入相应的棱形原子蒸汽池单元内，经过反射后又被第一双色镜反射至下一个棱形原子蒸汽池单元的双色镜；耦合光的光路由右向左一次完成对这一侧棱形原子蒸汽池单元的入射。
Claims (8)
1.一种基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，采用原子蒸汽池感应阵列；所述原子蒸汽池感应阵列包括多个大小相同的棱形原子蒸汽池单元，所述每个棱形原子蒸汽池单元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多个棱形原子蒸汽池单元按照直角
顶角朝向交替反向的规律顺次排列，相邻的棱形原子蒸汽池单元相邻的直角边之间相互紧贴；直角顶角朝向相同的多个棱形原子蒸汽池单元的斜边面位于同一平面上，共同构成原子蒸汽池感应阵列的两个相互平行的侧面；整个原子蒸汽池感应阵列在水平面的投影呈梯形或平行四边形；连接多个棱形原子蒸汽池单元的直角边中点的直线构成棱形原子蒸汽池单元的轴向；每个棱形原子蒸汽池单元内均充有同一种碱金属原子蒸汽；所述测量方法包括如下步骤：（a）、将探测光即作用于碱金属原子基态与第一激发态的弱光频率锁定在这两个能级的共振位置，并且通过分束器分成与棱形原子蒸汽池单元数目相同的多束，每束探测光均对应一个棱形原子蒸汽池单元；将每束探测光均从其对应的棱形原子蒸汽池单元的斜边面垂直入射至该棱形原子蒸汽池单元内，在棱形原子蒸汽池单元内通过两次全反射从相同斜边面出射；（b）、探测光经过每个棱形原子蒸汽池单元后均入射至一个CCD探测单元，通过对CCD探测单元进行位置编码，获得每个棱形原子蒸汽池单元光谱信息与位置的关联信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于碱金属原子的第一激发态与里德堡nS/nD能级，将耦合光分成两束，分别引至原子蒸汽池感应阵列的两个侧面所在的两侧，其中一束耦合光按照该侧棱形原子蒸汽池单元的排列顺序依次入射：入射至每个棱形原子蒸汽池单元内的耦合光光路均与步骤（a）中入射至该棱形原子蒸汽池单元的探测光反向重合，由第一个棱形原子蒸汽池单元出射的耦合光反射后入射至相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，然后出射的耦合光再经反射后入射至下一个相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，这样依次完成对该侧棱形原子蒸汽池单元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感应阵列的另一侧做相同的光路循环；（d）、扫描耦合光的频率，每个棱形原子蒸汽池单元对应的CCD探测单元都会得到无多普勒背景的探测光的EIT透射光谱；（e）、将该原子蒸汽池感应阵列置于微波环境中，当环境中的微波频率与满足电偶极跃迁的两个里德堡能级共振时，每个棱形原子蒸汽池单元的EIT透射谱都会发生特征分裂，利用谱线的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池单元测量的微波场强信息，通过步骤（b）绘制每个棱形原子蒸汽池单元中测得的场强大小与该棱形原子蒸汽池单元的位置关系便可以获得微波场在里德堡蒸汽池阵列轴向的一维分布；（f）、将原子蒸汽池感应阵列沿垂直阵列轴向的方向进行扫描，同时在每个扫描位置，保证原子蒸汽池感应阵列都能够测量得到阵列轴向的微波场分布，通过这样的方法可以得到微波场在二维平面的场分布。
2.如权利要求1所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，每个棱形原子蒸汽池单元的斜边面都配有一个或一对探测光高透耦合光高反的双色镜，以保证探测光透射、耦合光反射且反射的耦合光进入相邻的下一个棱形原子蒸汽池单元内；所述的CCD探测单元分别位于进入每个棱形原子蒸汽池单元的探测光出射光路所对应的双色镜的透射光路上；多个棱形原子蒸汽池单元的CCD探测单元构成探测器阵列，并行测量得到探测光的总透射光谱。
3.如权利要求2所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，所述原子蒸汽池感应阵列、相配的CCD探测单元和双色镜均位于一个运动控制平移台之上，以实现对于待测微波环境的二维测量。
4.如权利要求1~3任一项所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，所使用的棱形原子蒸汽池单元利用了探测光的全反射原理构成光路，需要在棱形原子蒸汽池单元两个直角边镀耦合光的高反射膜，以保证耦合光的反射效率。
5.如权利要求1~3任一项所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，棱形原子蒸汽池单元的斜边尺寸<10mm。
6.如权利要求1~3任一项所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，每个棱形原子蒸汽池单元对应的探测器CCD单元尺寸<1mm。
7.如权利要求3所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，通过运动控制模块操控原子蒸汽池感应阵列的移动扫描速度要远小于激光扫描频率，使得原子蒸汽池感应阵列在每一个扫描位置，都可以得到该位置阵列轴向的微波场一维分布，原子蒸汽池感应阵列的扫描步进<1mm。
8.如权利要求3所述的基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，使用数据采集以及处理模块对探测器阵列的采集时序进行控制并进行数据处理得到微波场的二维分布。
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