CN106707042B - 一种射频电场极化方向的测量方法 - Google Patents

一种射频电场极化方向的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射频电场极化方向的测量装置及方法。本发明的目的是解决现有的射频电场极化方向测量装置和方法存在测量误差大的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种射频电场极化方向的测量装置，包括样品池、第一激光光源、第二激光光源、高反射率反射镜、双色镜、光电探测器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片和第二偏振分光棱镜；一种射频电场极化方向的测量方法，采用射频缀饰的里德堡原子电磁感应透明效应谱线对电场极化方向的感应，实现射频电场极化方向的测量。本发明是基于原子参数进行测量，克服了现有的电场极化方向测量方法误差大的缺点，整个方法实现起来十分简单，便于实现微小型化。

Description

一种射频电场极化方向的测量方法
技术领域
本发明涉及一种射频电场极化方向的测量方法。
背景技术
对射频电场极化方向的测量在精密测量以及军事科技等领域具有重大的意义。现有的测量射频电场极化方向的装置和方法是利用标准天线，通过测量接收到的射频功率随着接收天线的角度变化，推算出射频电场的极化方向，在此测量过程中，首先需要对天线进行良好的校准，而校准天线的误差很大；其次对于GHz以下的射频场，所需的天线尺寸太过庞大，且天线本身也会辐射射频场，对被测场产生干扰，因此测量精度较差，难以实现高空间分辨率的测量。
发明内容
本发明的目的是解决现有的射频电场极化方向测量装置和方法存在的测量误差大的技术问题，提供一种射频电场极化方向的测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种射频电场极化方向的测量方法，所述射频电场极化方向的测量方法基于以下装置，该装置包括样品池、第一激光光源、第二激光光源、高反射率反射镜、双色镜、光电探测器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片和第二偏振分光棱镜；所述第一激光光源为探测光光源，高反射率反射镜设在探测光光路上，所述第一半波片、第一偏振分光棱镜、样品池、第二偏振分光棱镜、第二半波片、双色镜和光电探测器依次序设在高反射率反射镜的反射光路上；所述第二激光光源为耦合光光源且设在双色镜的耦合光入射口，所述第一半波片和第一偏振分光棱镜构成探测光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振探测光；所述第二半波片和第二偏振分光棱镜构成耦合光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振耦合光；所述高反射率反射镜和双色镜的正面与水平面成45度夹角。
所述射频电场极化方向的测量方法包括如下步骤：
(a)第一激光光源发出探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态6S1/2到激发态6P3/2的共振跃迁线上，探测光经过高反射率反射镜、第一半波片和第一偏振分光棱镜从样品池的一端入射到样品池中，透过样品池的探测光通过第二偏振分光棱镜、第二半波片和双色镜入射到光电探测器上进行探测；
(b)第二激光光源发出耦合光，耦合光耦合铯原子的第一激发态6P3/2与里德堡能级nD5/2，耦合光经过双色镜、第二半波片和第二偏振分光棱镜从样品池的另一端入射进样品池中，与探测光在样品池中反向共线传播；
(c)第二激光光源在第一激发态6P3/2到里德堡能级nD5/2共振跃迁线的附近扫描耦合光的频率，使光电探测器探测到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
(d)将射频电场极化方向的测量装置放置于待测射频电场中，在待测射频电场的作用下，(c)步骤中所述的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，产生不同磁量子数的能级谱线，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，依据下列同一电场下不同磁量子数的谱线激发强度公式计算磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度：
式中，Sν,N为不同磁量子数的谱线激发强度；e为电子电荷；为约化的普朗克常量；EL表示激光光场的振幅；ν表示激光的频率；N表示偶数级边带的阶数；为光场的极化方向；为6P3/2到|k>态的跃迁矩阵元，|k>为基矢，为角度旋转算符；为每一个跃迁矩阵元的系数；为里德堡原子的原子实与电子的位置矢量；θ为以样品池的横截面为xy面，以探测光或耦合光的传播方向为z轴建立一个空间直角坐标系时，待测射频电场极化方向与yz平面的夹角；为待测射频电场极化方向与xz平面的夹角；mj为磁量子数；
(e)根据磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度与磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度，拟合磁量子数mj＝5/2的Stark光谱对应的激发面积A1和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱对应的激发面积A2，使用对照度A＝(A1-A2)/(A1+A2)公式计算这两条光谱的激发面积的对照度A，计算所得的每个对照度A值对应一个确定的电场极化方向，从而得到待测射频电场的极化方向。
进一步地，所述待测射频电场的频率范围为1MHz-1GHz。
本发明的有益效果是：本发明利用里德堡原子极化率大、对外电场极其敏感的特性，射频缀饰的里德堡原子电磁感应透明效应的谱线强度对电场极化方向的感应，实现射频电场极化方向的测量。本发明是基于原子参数的测量，克服了现有的电场极化方向测量方法误差大的缺点，整个方法实现起来十分简单。采用装有铯原子的蒸气池作为介质，对待测电场没有干扰，装置十分简便，易于实现微型化，适于集成化和广泛推广。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中待测射频电场极化方向的示意图，图中，xy平面为样品池的横截面，z轴为探测光或耦合光的传播方向；
图3是实现本发明所述的基于里德堡原子三能级系统电磁感应透明的双光子共振激发示意图；
图4是本发明基于射频电场调制的里德堡能级示意图；
图中：λc为耦合光的波长，λp为探测光的波长。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本实施例中的一种射频电场极化方向的测量装置，包括样品池1、第一激光光源2、第二激光光源3、高反射率反射镜4、双色镜5、光电探测器6、第一半波片7、第一偏振分光棱镜8、第二半波片9和第二偏振分光棱镜10；所述第一激光光源2为探测光光源，探测光波长为852nm，高反射率反射镜4设在探测光光路上，所述第一半波片7、第一偏振分光棱镜8、样品池1、第二偏振分光棱镜10、第二半波片9、双色镜5和光电探测器6依次序设在高反射率反射镜4的反射光路上；所述第二激光光源3为耦合光光源且设在双色镜5的耦合光入射口，耦合光波长为510nm；所述第一半波片7和第一偏振分光棱镜8构成探测光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振探测光；所述第二半波片9和第二偏振分光棱镜10构成耦合光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振耦合光；所述高反射率反射镜4和双色镜5的正面与水平面成45度夹角。
上述样品池1为充有铯原子蒸气的圆柱形玻璃铯泡，所述铯原子也可以用铷原子等其他碱金属代替。
采用上述实施例中的一种射频电场极化方向的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
(a)第一激光光源2发出波长为852nm的探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态6S1/2到激发态6P3/2的共振跃迁线上，探测光经过高反射率反射镜4、第一半波片7和第一偏振分光棱镜8从样品池1的一端入射到样品池1中，透过样品池1的探测光通过第二偏振分光棱镜10、第二半波片9和双色镜5入射到光电探测器6上进行探测；
(b)第二激光光源3发出波长为510nm的耦合光，耦合光耦合铯原子的第一激发态6P3/2与里德堡能级nD5/2，耦合光经过双色镜5、第二半波片9和第二偏振分光棱镜10从样品池1的另一端入射进样品池1中，与探测光在样品池1中反向共线传播；第一激光光源2的探测光和第二激光光源3的耦合光在样品池1中具有相同的极化方向，且探测光和耦合光的极化方向位于样品池1的圆横截面上；
(c)第二激光光源3在第一激发态6P3/2到里德堡能级nD5/2共振跃迁线的附近扫描耦合光的频率，使光电探测器6探测到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
(d)将射频电场极化方向的测量装置放置于待测射频电场中，待测射频电场的频率为100MHz，在待测射频电场的作用下，(c)步骤中所述的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，产生不同磁量子数的能级谱线，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，依据下列同一电场下不同磁量子数的谱线激发强度公式计算磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度：
式中，Sν,N为不同磁量子数的谱线激发强度；e为电子电荷；为约化的普朗克常量；EL表示激光光场的振幅；ν表示激光的频率；N表示偶数级边带的阶数；为光场的极化方向；为6P3/2到|k>态的跃迁矩阵元，|k>为基矢，为角度旋转算符；为每一个跃迁矩阵元的系数；为里德堡原子的原子实与电子的位置矢量；θ为以样品池的圆横截面为xy面，以探测光或耦合光的传播方向为z轴建立一个空间直角坐标系时，待测射频电场极化方向与yz平面的夹角；为待测射频电场极化方向与xz平面的夹角；mj为磁量子数；
(e)根据磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度与磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度，拟合磁量子数mj＝5/2的Stark光谱对应的激发面积A1和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱对应的激发面积A2，使用对照度A＝(A1-A2)/(A1+A2)公式计算这两条光谱的激发面积的对照度A，计算所得的每个对照度A值对应一个确定的电场极化方向，从而得到待测射频电场的极化方向。
高反射率反射镜4为852nm的高反射率反射镜；第一半波片7为852nm的半波片；第一偏振分光棱镜8为852nm的振分光棱镜；第二半波片9为510nm的半波片；第二偏振分光棱镜10为510nm偏振分光棱镜。
上述实施例中所述的待测射频电场的频率还可在1MHz-1GHz范围内选取。

Claims (2)

1.一种射频电场极化方向的测量方法，所述射频电场极化方向的测量方法基于以下装置，该装置包括样品池(1)、第一激光光源(2)、第二激光光源(3)、高反射率反射镜(4)、双色镜(5)、光电探测器(6)、第一半波片(7)、第一偏振分光棱镜(8)、第二半波片(9)和第二偏振分光棱镜(10)；所述第一激光光源(2)为探测光光源，高反射率反射镜(4)设在探测光光路上，所述第一半波片(7)、第一偏振分光棱镜(8)、样品池(1)、第二偏振分光棱镜(10)、第二半波片(9)、双色镜(5)和光电探测器(6)依次序设在高反射率反射镜(4)的反射光路上；所述第二激光光源(3)为耦合光光源且设在双色镜(5)的耦合光入射口，所述第一半波片(7)和第一偏振分光棱镜(8)构成探测光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振探测光；所述第二半波片(9)和第二偏振分光棱镜(10)构成耦合光功率控制器，用来产生固定极化方向的线偏振耦合光；所述高反射率反射镜(4)和双色镜(5)的正面与水平面成45度夹角；
其特征在于，所述射频电场极化方向的测量方法包括如下步骤：
(a)第一激光光源(2)发出探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态6S1/2到激发态6P3/2的共振跃迁线上，探测光经过高反射率反射镜(4)、第一半波片(7)和第一偏振分光棱镜(8)从样品池(1)的一端入射到样品池(1)中，透过样品池(1)的探测光通过第二偏振分光棱镜(10)、第二半波片(9)和双色镜(5)入射到光电探测器(6)上进行探测；
(b)第二激光光源(3)发出耦合光，耦合光耦合铯原子的第一激发态6P3/2与里德堡能级nD5/2，耦合光经过双色镜(5)、第二半波片(9)和第二偏振分光棱镜(10)从样品池(1)的另一端入射进样品池(1)中，与探测光在样品池(1)中反向共线传播；
(c)第二激光光源(3)在第一激发态6P3/2到里德堡能级nD5/2共振跃迁线的附近扫描耦合光的频率，使光电探测器(6)探测到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
(d)将射频电场极化方向的测量装置放置于待测射频电场中，在待测射频电场的作用下，(c)步骤中所述的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，产生不同磁量子数的能级谱线，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，依据下列同一电场下不同磁量子数的谱线激发强度公式计算磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度：
式中，Sν,N为不同磁量子数的谱线激发强度；e为电子电荷；为约化的普朗克常量；EL表示激光光场的振幅；ν表示激光的频率；N表示偶数级边带的阶数；为光场的极化方向；为6P3/2到|k>态的跃迁矩阵元，|k>为基矢，为角度旋转算符；为每一个跃迁矩阵元的系数；为里德堡原子的原子实与电子的位置矢量；θ为以样品池的横截面为xy面，以探测光或耦合光的传播方向为z轴建立一个空间直角坐标系时，待测射频电场极化方向与yz平面的夹角；为待测射频电场极化方向与xz平面的夹角；mj为磁量子数；
(e)根据磁量子数mj＝5/2的Stark光谱的激发强度与磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱的激发强度，拟合磁量子数mj＝5/2的Stark光谱对应的激发面积A1和磁量子数mj＝1/2的二级边带光谱对应的激发面积A2，使用对照度A＝(A1-A2)/(A1+A2)公式计算这两条光谱的激发面积的对照度A，计算所得的每个对照度A值对应一个确定的电场极化方向，从而得到待测射频电场的极化方向。
2.根据权利要求1所述的一种射频电场极化方向的测量方法，其特征在于：所述待测射频电场的频率范围为1MHz-1GHz。
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