CN109163815B - 一种毫米波检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种毫米波检测方法及装置，属于毫米波和太赫兹的相干检测领域，将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位，实现高灵敏度的毫米波相干检测。它是基于量子干涉原理和里德堡原子六波混频技术，在原子气室内将毫米波相干转换为可见光信号，利用可见光的检测来实现毫米波的高灵敏度检波；此方法能获得近单光子水平的检测灵敏度，实现空间分辨率为亚波长量级的毫米波和太赫兹实时成像，为毫米波和太赫兹的精密检测提供新技术基础。
Description
技术领域
本发明属于毫米波和太赫兹的相干检测领域，尤其涉及一种毫米波检测方法及装置。
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里德堡原子EIT和AT(Autler-Townes)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30μVcm-1Hz-1/2，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。
目前的实验测量和理论分析表明，原子体系的基于EIT-AT分裂微波检测方法无法获得相位信息；同时探测光透明窗口的宽度受激光线宽、渡跃展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素的影响，无法对极微弱的微波电场实现精密测量。本发明在原理上不受原子体系量子测量极限的限制，测量灵敏度可接近微波单光子水平，实现在自由空间从微波到太赫兹宽波段的高灵敏度检波。
发明内容
本发明针对现有技术中所遇到的问题，提供一种毫米波检测方法及装置，以通过对可见光信号的分析，实现对毫米波幅度和相位信息的高灵敏度检波，理论灵敏度可接近微波单光子水平，其结构简单、操作方便、测量精确、包含相位信息、可行性强，且易于实用化。
为了实现上述目的，本发明提出一种毫米波检测方法，包括如下步骤：
S10、将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；
S20、测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位。
优选地，所述的S10之前还包括；
S01、将原子制备到所需基态，施加驱动光和耦合光将原子的基态与里德堡态耦合；
S02、施加辅助微波场和辅助光场至里德堡态的原子系综上，分别耦合第四、五能级和第五、六能级。
优选地，所述的待检微波，其电场强度与光功率之间的关系如下：
其中，E为电场强度，PL为光功率，c为真空光速，ε0为真空介电常数，S为六波混频区域的横截面积，wM为待检毫米波，wL为可见光频率，F为待检毫米波与可见光的转换效率。
本发明还提出一种毫米波检测装置，包括：碱金属样品池、正向激光器、反向激光器、辅助微波源、光电探测器、二向色镜和黑匣子，其中，
碱金属样品池：用于提供饱和蒸气压下的碱金属单质气体，通过六波混频将待检毫米波在气体原子系综内转化为可见光信号；
正向激光器：用于产生正向的驱动光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的基态与中间态；
反向激光器：用于产生反向的耦合光及辅助光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的中间态与里德堡态；
辅助微波源：用于向碱金属样品池发射辅助微波场；
二向色镜：用于将驱动光、生成的可见光信号、反向传输的耦合光与辅助光进行分束，其中，驱动光和生成的可见光信号分束至光电探测器探测，反向传输的耦合光和辅助光分束至黑匣子；
黑匣子：用于收集反向传输的耦合光和辅助光的分束光；
光电探测器：用于接收混频过程产生的可见光信号，检测获得毫米波的幅度和相位。
优选地，所述的正向激光器，其产生的正向驱动光为连续光信号，耦合光和辅助光耦合中间态和里德堡态，辅助微波场耦合三个近邻里德堡态，形成一个六能级系统。
优选地，所述的六能级系统，包括基态能级S1/2、中间态P3/2的两个近邻能级和三个近邻里德堡态。
优选地，所述的碱金属样品池内充满碱金属的饱和蒸气。
优选地，所述的反向激光器，其产生的耦合光及辅助光的频率为碱金属样品池原子的里德堡跃迁频率。
优选地，所述的正向激光器，其产生的正向驱动光为碱金属原子
能级之间的跃迁频率。
优选地，所述的碱金属，具体：碱金属原子为高主族序数原子。
本发明提出一种毫米波检测方法及装置，基于量子干涉原理和里德堡原子六波混频技术，将待检毫米波相干转换为可见光场，通过分析可见光信号，实现了高灵敏度的毫米波相干检测，具体优点如下：
1、本发明通过检测六波混频过程产生的可见光信号，使自由空间毫米波的检测灵敏度达到近微波单光子水平，从而为微波电场的精密测量研究提供新的技术基础；同时，此检波方法可实现空间分辨率为亚波长量级的实时成像，为毫米波和太赫兹的精密测量研究提供新技术基础；此外，此检测方法及装置可用于远程雷达、微波通信、气象监测、环境监控和深空探测等众多领域。
2、本发明适用于室温原子气室和冷原子系综，方法简便，易于实现。
3、本发明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、里德堡能级间跃迁频率可以被微波信号所覆盖、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，提高毫米波和太赫兹的检波效率。
4、本发明能够在自由空间实现宽波段(1GHz-5THz)的电磁波检波，填补频谱空白，测量结果包含相位信息，并且提供了量子信息处理所需上微波-光波的转换接口，具有广阔的应用前景和科研价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例中毫米波检测方法流程图；
图2为本发明一种实施例中原子天线部分的能级结构图；
图3为本发明一种实施例中原子天线部分的工作区域示意图；
图4为本发明一种实施例中毫米波检测装置结构示意图；
符号说明：
1为铯原子的基态，2为一个铯原子中间激发态，6为另一个铯原子中间激发态，3为铯原子的一个里德堡态，4为铯原子的另一个里德堡态，5为铯原子的又一个里德堡态，7为待检毫米波，8为可见光信号，9为波长852nm的驱动光，10为波长510nm的耦合光，11为波长510nm的辅助光，12为辅助微波场，13为碱金属样品池，14为正向激光器，15为反向激光器，16为辅助微波源，17为光电探测器，18为第一二向色镜，19-黑匣子，20-立方体铯池截面，21-激光光束，22为第二二向色镜；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种毫米波检测方法，以铯原子(Cs)为具体实例进行详细说明。
本发明一种优选实施例中，如图1所示，包括如下步骤：
S01、将原子制备到所需基态，施加驱动光和耦合光将原子的基态与里德堡态耦合；
本发明实施例中，通过光抽运将样品池中的室温原子制备到所需基态6S1/2，F＝4，将852nm激光器、510nm激光器分别锁定在铯原子的饱和吸收谱和电磁诱导透明谱上，辅助微波调谐至紧邻里德堡能级的共振频率；
S02、施加辅助微波场和辅助光场至里德堡态的原子系综上，分别耦合第四、五能级和第五、六能级；
本发明实施例中，利用852nm激光器产生的驱动光和510nm激光器产生的耦合光将原子的基态与里德堡态耦合；将辅助微波场和辅助光场施加到里德堡态的原子系综上，分别耦合第四、五能级和第五、六能级；
S10、将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；
本发明实施例中，当待检毫米波照射到铯原子池，驱动光、耦合光、待检毫米波、辅助微波、辅助光场和可见光转化场这六个相干场因量子干涉效应形成混频过程，待检毫米波相干地转换为可见光场。在相位匹配方向上收集可见光信号，使用光电探测器探测和分析获得的可见光信号，从而获取待检毫米波的幅度和相位信息。
图2为本发明原子天线的能级结构图，其中，1为铯原子的基态，2为一个铯原子中间激发态，6为另一个铯原子中间激发态，3为铯原子的一个里德堡态，4为铯原子的另一个里德堡态，5为铯原子的又一个里德堡态，7为待检毫米波，8为可见光信号，9为波长852nm的驱动光，10为波长510nm的耦合光，11为波长510nm的辅助光，12为辅助微波场；
如图2所示，在毫米波原子天线的能级中，1(|1>＝6S1/2，F＝4)为铯原子的基态，2(|2>＝6P3/2，F＝4)和6(|6>＝6P3/2，F＝5)分别为铯原子的两个中间激发态，3(|3>＝25D5/2、44＝26P3/2和55＝25D3/2分别为铯原子的三个里德堡态，通过选择相干场的拉比频率和失谐量使得待检毫米波7在光学跃迁
上产生相干，从而实现共振六波混频环路，将待检毫米波7转换为可见光8，转换效率与驱动场的拉比频率、失谐量、原子能级寿命及原子系综的光学厚度相关；9为波长852nm的驱动光，10、11分别为波长510nm的耦合光和辅助光，它们的作用是将原子的基态与里德堡态耦合，当待检毫米波照射到原子系综时，施加辅助微波场12和辅助光在原子介质构成混频过程，将毫米波相干转换为可见光场；上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
S20、测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位。
本发明一种优选实施例中，所述的待检微波，其电场强度与光功率之间的关系如下：
其中，E为电场强度，PL为光功率，c为真空光速，ε0为真空介电常数，如图3所示，其中20为立方体铯池截面，21为激光光束，激光光束21的重叠区域即六波混频作用区域，S为此区域面积，wM为待检毫米波频率，wL为可见光频率，F为待检毫米波与可见光的转换效率。
本发明还提出一种毫米波检测装置；
本发明一种优选实施例中，如图4所示，包括：碱金属样品池13、正向激光器14、反向激光器15、辅助微波源16、光电探测器17、第一二向色镜18、黑匣子19和第二二向色镜22；
本发明实施例中，正向激光器14、待检毫米波7和辅助微波源16设置于碱金属样品池13的一侧，反向激光器15设置于碱金属样品池13的另一侧，反向激光器15与碱金属样品池13之间设置有第一二向色镜18；第一二向色镜18分束生成可见光8发射至光电探测器17；正向激光器14与碱金属样品池13之间设置有第二二向色镜22，将反向传输的耦合光10和辅助光11分束至黑匣子19；
本发明实施例中，碱金属样品池13采用铯池，用于提供饱和蒸气压下的铯原子系综，将铯池的原子初态制备到所需基态6S1/2，F＝4，以铯原子系综为介质产生里德堡原子的六波混频过程，待检毫米波在气体原子系综内转换成可见光信号；
本发明实施例中，正向激光器14产生波长为852nm的驱动光9，用于产生正向的驱动光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的基态与中间态；
本发明实施例中，反向激光器15产生波长为510nm的耦合光10和辅助光11，用于产生反向的耦合光及辅助光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的中间态与里德堡态；
本发明实施例中，辅助微波源16用于向碱金属样品池发射辅助微波场；
本发明实施例中，二向色镜包括：第一二向色镜18和第二二向色镜22：用于将驱动光9、生成的可见光信号8、反向传输的耦合光10与辅助光11进行分束，其中，第一二向色镜18将驱动光9和生成的可见光信号8分束至光电探测器探测17，第二二向色镜22将反向传输的耦合光10和辅助光11分束至黑匣子19；
黑匣子19：用于收集反向传输的耦合光10和辅助光11的分束光；
本发明实施例中，光电探测器17，用于接收混频过程产生的可见光信号8，检测获得毫米波的幅度和相位，实现毫米波7的高灵敏度相干检测。
本发明一种优选实施例中，激光器产生的驱动光9为连续光，激光器产生的耦合光10和辅助光11用于耦合中间态和里德堡态，微波电场耦合三个近邻里德堡态，形成一个六能级系统。该六能级系统包括基态能级6S1/2，F＝4，两中间态为6P3/2(F＝4，F＝5)和三个近邻里德堡态。
本发明一种优选实施例中，所述的六能级系统，包括基态能级S1/2、中间态P3/2的两个近邻能级和三个近邻里德堡态。
本发明一种优选实施例中，所述的反向激光器，其产生的耦合光及辅助光的频率为碱金属样品池原子的里德堡跃迁频率。
因而，毫米波的幅值由以上装置选取和测得的参数决定。由于六波混频是一种相干的频率转换过程，毫米波的相位与转换可见光场的相位同步。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种毫米波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；
S20、测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位；
所述的待检微波，其电场强度与光功率之间的关系如下：
其中，E为电场强度，PL为光功率，c为真空光速，ε0为真空介电常数，S为六波混频区域的横截面积，wM为待检毫米波频率，wL为可见光频率，F为待检毫米波与可见光的转换效率。
2.根据权利要求1所述的毫米波检测方法，其特征在于，所述的S10之前还包括；
S01、将原子制备到所需基态，施加驱动光和耦合光将原子的基态与里德堡态耦合；
S02、施加辅助微波场和辅助光场至里德堡态的原子系综上，分别耦合第四、五能级和第五、六能级。
3.一种毫米波检测装置，其特征在于，包括：碱金属样品池、正向激光器、反向激光器、辅助微波源、光电探测器、二向色镜和黑匣子，其中，
碱金属样品池：用于提供饱和蒸气压下的碱金属单质气体，通过六波混频将待检毫米波在气体原子系综内转化为可见光信号；
正向激光器：用于产生正向的驱动光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的基态与中间态；
反向激光器：用于产生反向的耦合光及辅助光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的中间态与里德堡态；
辅助微波源：用于向碱金属样品池发射辅助微波场；
二向色镜：用于将驱动光、生成的可见光信号、反向传输的耦合光与辅助光进行分束，其中，驱动光和生成的可见光信号分束至光电探测器探测，反向传输的耦合光和辅助光分束至黑匣子；
黑匣子：用于收集反向传输的耦合光和辅助光的分束光；
光电探测器：用于接收混频过程产生的可见光信号，检测获得毫米波的幅度和相位；
所述的待检毫米波，其电场强度与光功率之间的关系如下：
其中，E为电场强度，PL为光功率，c为真空光速，ε0为真空介电常数，S为六波混频区域的横截面积，wM为待检毫米波频率，wL为可见光频率，F为待检毫米波与可见光的转换效率。
4.根据权利要求3所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的正向激光器，其产生的正向驱动光为连续光信号，耦合光和辅助光耦合中间态和里德堡态，辅助微波场耦合三个近邻里德堡态，形成一个六能级系统。
5.根据权利要求4所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的六能级系统，包括基态能级S1/2、中间态P3/2的两个近邻能级和三个近邻里德堡态。
6.根据权利要求3所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的碱金属样品池内充满碱金属的饱和蒸气。
7.根据权利要求3所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的反向激光器，其产生的耦合光及辅助光的频率为碱金属样品池原子的里德堡跃迁频率。
8.根据权利要求3所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的正向激光器，其产生的正向驱动光为碱金属原子
能级之间的跃迁频率。
9.根据权利要求3所述的毫米波检测装置，其特征在于，所述的碱金属，具体：碱金属原子为高主族序数原子。
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