CN109342830A - 全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置 - Google Patents

全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波电场的测量领域。全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，包括第一激光发射装置（1）、1×4光纤分束器（2）、第二激光发射装置（3）、光纤耦合头（4）、光纤环形器（5）、第一2×2的光纤合束器（6）、第一快速探测器（7）、示波器或者频谱仪（8）、第二2×2的光纤合束器（9）、第二快速探测器（10）、PID模块（11）、双通道电压输出模块（12）、信号源（13）、第一高速光纤相位拉伸器（14）、第二高速光纤相位拉伸器（15）、铯原子蒸汽池（16）。本发明的有益效果是：利用马赫曾德尔干涉仪实现对极微弱微波场的测量，实现整机装置小型化，结构紧凑。

Description

全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置
技术领域
本发明涉及微波电场的测量领域，特别是一种利用马赫曾德尔干涉仪对极微弱微波场进行高灵敏度测量的装置。
背景技术
微波电场的精密测量对于通信、国防以及生物检测等领域具有重要意义。在当前的微波场的测量中，对传感器的小体积、便携性以及测量灵敏度的追求日益增高，传统的微波电场测量手段，使用金属材质的电特性天线实现对微弱微波信号的探测，若要增加微波天线对未知运动目标的有效探测距离，需要天线的口径越来越大，测试场地的增加使得建立符合要求的电磁环境变得困难。基于马赫曾德尔干涉仪与原子量子相干效应的测量装置不仅能保证整体结构的紧凑，更能实现高灵敏度的微波场测量，有效解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何解决传统微波测量方法检测灵敏度低、检测天线体积庞大的问题。
本发明所采用的技术方案是：全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，包括第一激光发射装置（1）、1×4光纤分束器（2）、第二激光发射装置（3）、光纤耦合头（4）、光纤环形器（5）、第一2×2的光纤合束器（6）、第一快速探测器（7）、示波器或者频谱仪（8）、第二2×2的光纤合束器（9）、第二快速探测器（10）、PID模块（11）、双通道电压输出模块（12）、信号源（13）、第一高速光纤相位拉伸器（14）、第二高速光纤相位拉伸器（15）、铯原子蒸汽池（16），100mW第一激光发射装置（1）发出的波长为852nm的激光被1×4光纤分束器（2）均匀的分配到四个输出端，第二输出端和第三输出端的出射激光作为探测光平行入射至内部充有铯原子的铯原子蒸汽池（16）中，第二输出端和第三输出端入射的两束激光在原子蒸汽池（16）中光程相同，第一输出端出射的激光经过第一高速光纤相位拉伸器（14）后与第二输出端入射到原子蒸汽池（16）的出射激光经过光纤环形器（5）后在第一2×2的光纤合束器（6）中发生干涉形成第一马赫曾德干涉仪，第四输出端出射的激光经过第二高速光纤相位拉伸器（15）后与第三输出端入射到原子蒸汽池（16）的出射激光在第二2×2的光纤合束器（9）中发生干涉形成第二马赫曾德干涉仪；第一快速探测器（7）探测第一2×2的光纤合束器（6）的干涉信号并通过示波器或者频谱仪（8）显示，第二快速探测器（10）探测第二2×2的光纤合束器（9）的干涉信号并转换成电信号，该电信号输入PID模块（11），PID模块（11）输出反馈信号到双通道电压输出模块（12）驱动高速光纤相位拉伸器（15）调整相位，40mW的第二激光发射装置（3）发出的波长为510nm的激光通过光纤耦合头（4）进入光纤环形器（5）中然后入射到原子蒸汽池（16）中作为耦合光与第二输出端入射到原子蒸汽池（16）中的激光反向共线，信号源（13）产生低频正弦信号，输入到双通道电压输出模块（12）。
作为一种优选方式：耦合光中心波长与铯金属原子的第一激发态6P3/2到高激发态nD5/2的跃迁共振；第一快速探测器（7）探测第一2×2的光纤合束器（6）的第二输出端输出激光的透射光谱，此透射光谱的线形特征由发生干涉的两束光的相对相位差DFs决定，当相位差DFs=0时，透射光谱体现出高斯线形，当相位差DFs=p/2时，透射光谱体现出色散线形，利用不同的线形实现微波电场测量的自校准测量和超灵敏探测。
作为一种优选方式：第二快速探测器（10）输出的电信号电平的高低反映两束干涉光的相对相位差DFr，该电信号输入PID模块（11）与设定相应的参考电平值比较，利用PID模块（11）输出反馈信号到双通道电压输出模块（12）用于驱动高速光纤相位拉伸器（15），锁定相对相位差DFr。
作为一种优选方式：信号源（13）产生的低频正弦信号通过双通道电压输出模块（12）控制高速光纤相位拉伸器（15），实现干涉的两束光的相对相位差DFr周期性变化，用于通过干涉信号选择相对相位差DFr的对应电平。
本发明的有益效果是：利用马赫曾德尔干涉仪实现对极微弱微波场的测量，实现整机装置小型化，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是相位差DFs=0时，探测光透射光强-耦合光激光频率失谐图；
图3是相位差DFs=p/2时，探测光透射光强-耦合光激光频率失谐图；
其中， 1、第一激光发射装置，2、1×4光纤分束器，3、第二激光发射装置，4、光纤耦合头，5、光纤环形器，6、第一2×2的光纤合束器，7、第一快速探测器，8、示波器或者频谱仪，9、第二2×2的光纤合束器，10、第二快速探测器，11、PID模块，12、双通道电压输出模块，13、信号源，14、第一高速光纤相位拉伸器，15、第二高速光纤相位拉伸器，16、铯原子蒸汽池。
具体实施方式
将一束弱功率约100mW，852nm的激光（1）引入1×4光纤分束器（2），均匀的分配到四个输出端，其中两束强度相同的光作为探测光入射至内部充有铯原子的原子蒸汽池（16）内，采用熔融方法将光纤接头与原子气室一端面连接，两束光在气室中平行传播，光程一致；这里所述的探测光中心波长与铯原子的基态6S1/2到第一激发态6P3/2的跃迁共振；
另外两束强度相同的光分别通过高速光纤相位拉伸器（14，15），分别与通过原子气室的两束探测光在两个2×2的光纤合束器（6），（9）重合发生干涉，形成两套马赫曾德干涉仪，并且可以分别在快速探测器（7）和（10）上测量两套干涉仪的干涉信号，用于提供相对相位锁定和微波电场测量；
将510nm激光器（3）的输出通过光纤耦合头（4）引入光纤环形器（5）的一个输入端口至原子蒸汽池（16），作为耦合光与一束探测光反向共线，耦合光强约40mW，耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态6P3/2到高激发态nD5/2(或者nS1/2)的跃迁共振；扫描510nm激光器输出的激光频率，探测光与通过高速光纤相位拉伸器（14）的参考光在光纤合束器（6）发生干涉，在快速探测器（7）获得探测光的透射光谱，此透射光谱的线形特征由发生干涉的两束光的相对相位差DFs决定。当相位差DFs=0时，透射光谱体现出高斯线形，如图2所示；当相位差DFs=p/2时，透射光谱体现出色散线形，如图3所示；利用不同的线形实现微波电场测量的自校准测量和超灵敏探测；
另外一束探测光经过原子蒸汽池(16)与通过高速光纤相位拉伸器（15）的参考光，在光纤合束器（9）干涉，形成的马赫曾德干涉仪；光纤合束器（9）输出的干涉光进入快速探测器（10）转换为电信号；快速探测器（10）输出的电信号电平的高低反映两束干涉光的相对相位差DFr，该电信号输入PID模块（11）与设定相应的参考电平值比较，利用PID模块（11）输出反馈信号到双通道电压输出模块（12）用于驱动高速光纤相位拉伸器（15），可以锁定相对相位差DFr。
信号源（13）用于产生低频正弦信号，通过双通道电压输出模块（12）控制高速光纤相位拉伸器（15），可以实现干涉的两束光的相对相位差DFr周期性变化，用于通过干涉信号选择相对相位差DFr的对应电平；
双通道电压输出模块（12）可以实现双通道电压的相对相位控制，进行高速光纤相位拉伸器（14）和（15）并联操作。可以通过精确控制干涉信号；
本装置于待测微波场中，如果微波频率与满足电偶极跃迁的两个里德堡能级近共振时，由于量子相干效应会引起里德堡能级分裂，此时对于通过原子气室的探测光而言，其相位和幅度都会随着510nm的激光频率发生变化，特别是在共振处探测光的相位随微波电场的场强大小变化非常敏感；
通过控制马赫曾德干涉仪的两臂相对相位差可以分别实现高斯型和色散型电磁诱导透明光谱信号的测量；其中高斯型光谱信号，在较大微波电场场强下发生谱线分裂，可以实现可溯源至普朗克常数的微波场强测量，使得本装置实现微波电场场强的自校准测量；由于所述的装置采用光纤型马赫曾德干涉仪，具有非常良好的相位敏感测量特征，因此通过精确锁定两臂相对相位差，实现色散型透射光谱的测量，可以实现特别灵敏的相位移动测量，用于进行微弱微波场强的测量。
所述的微波场强测量装置具有良好的自校准特性，并且通过引入光纤型马赫曾德干涉仪实现高灵敏的探测光相位测量，并通过相位的测量实现微波电场的高灵敏测量。

Claims (4)

1.全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，其特征在于：包括第一激光发射装置（1）、1×4光纤分束器（2）、第二激光发射装置（3）、光纤耦合头（4）、光纤环形器（5）、第一2×2的光纤合束器（6）、第一快速探测器（7）、示波器或者频谱仪（8）、第二2×2的光纤合束器（9）、第二快速探测器（10）、PID模块（11）、双通道电压输出模块（12）、信号源（13）、第一高速光纤相位拉伸器（14）、第二高速光纤相位拉伸器（15）、铯原子蒸汽池（16），100mW第一激光发射装置（1）发出的波长为852nm的激光被1×4光纤分束器（2）均匀的分配到四个输出端，第二输出端和第三输出端的出射激光作为探测光平行入射至内部充有铯原子的铯原子蒸汽池（16）中，第二输出端和第三输出端入射的两束激光在原子蒸汽池（16）中光程相同，第一输出端出射的激光经过第一高速光纤相位拉伸器（14）后与第二输出端入射到原子蒸汽池（16）的出射激光经过光纤环形器（5）后在第一2×2的光纤合束器（6）中发生干涉形成第一马赫曾德干涉仪，第四输出端出射的激光经过第二高速光纤相位拉伸器（15）后与第三输出端入射到原子蒸汽池（16）的出射激光在第二2×2的光纤合束器（9）中发生干涉形成第二马赫曾德干涉仪；第一快速探测器（7）探测第一2×的光纤合束器（6）的干涉信号并通过示波器或者频谱仪（8）显示，第二快速探测器（10）探测第二2×2的光纤合束器（9）的干涉信号并转换成电信号，该电信号输入PID模块（11），PID模块（11）输出反馈信号到双通道电压输出模块（12）驱动高速光纤相位拉伸器（15）调整相位，40mW的第二激光发射装置（3）发出的波长为510nm的激光通过光纤耦合头（4）进入光纤环形器（5）中然后入射到原子蒸汽池（16）中作为耦合光与第二输出端入射到原子蒸汽池（16）中的激光反向共线，信号源（13）产生低频正弦信号，输入到双通道电压输出模块（12）。
2.根据权利要求1所述的全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，其特征在于：耦合光中心波长与铯金属原子的第一激发态6P3/2到高激发态nD5/2的跃迁共振；第一快速探测器（7）探测第一2×2的光纤合束器（6）的第二输出端输出激光的透射光谱，此透射光谱的线形特征由发生干涉的两束光的相对相位差DFs决定，当相位差DFs=0时，透射光谱体现出高斯线形，当相位差DFs=p/2时，透射光谱体现出色散线形，利用不同的线形实现微波电场测量的自校准测量和超灵敏探测。
3.根据权利要求1所述的全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，其特征在于：第二快速探测器（10）输出的电信号电平的高低反映两束干涉光的相对相位差DFr，该电信号输入PID模块（11）与设定相应的参考电平值比较，利用PID模块（11）输出反馈信号到双通道电压输出模块（12）用于驱动高速光纤相位拉伸器（15），锁定相对相位差DFr。
4.根据权利要求1所述的全光纤马赫曾德尔干涉仪的微波场强原子测量装置，其特征在于：信号源（13）产生的低频正弦信号通过双通道电压输出模块（12）控制高速光纤相位拉伸器（15），实现干涉的两束光的相对相位差DFr周期性变化，用于通过干涉信号选择相对相位差DFr的对应电平。
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