CN110261670A - 一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置和测量方法，将装有铷蒸气的低电磁扰动原子气室置于导波系统中，采用两束激光将基态铷原子激发至里德堡态，基于量子效应将对导波电场的测量转化为对原子吸收光谱的测量，利用功率和导波电场的解析量化关系，实现可溯源至普朗克常数的微波功率测量。本发明的测量方法具有灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小等优势。

Description

一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置及 方法

技术领域

本发明涉及微波测量领域，特别是涉及一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置及方法。

背景技术

功率是无线电计量体系中的一个重要参数。传统的微波功率基准是通过量热方式实现功率的间接测量，通常采用直流替代法将微波功率产生的热量与直流功率产生的热量进行比对。近年来，我国先后建立了一系列的微波毫米波功率基准，频率覆盖10MHz～170GHz,且在110GHz以下能够将测量不确定度控制在1.0％(k＝2)以内。然而，随着频率的进一步提高，基于量热方式的微波功率测量在高频段难以精确地评估诸如反射、传输损耗和热泄漏等问题，波导中的传输损耗产生的热量会对量热计的热绝缘产生较大的影响，在毫米波频段传统微波功率计量面临越来越多的技术挑战。

国际单位制(SI)重新定义将给测量科学领域带来一场重大的变革。在经典实物基准被量子基准取代的技术发展历程中，衍生了很多的量子精密测量新方法，大幅提高了计量基准的技术水平。在国际单位制重大变革和计量单位量子化的技术引领下，探索微波测量的新原理、新方法和新技术，基于量子技术对实现微波精密测量和建立计量标准具有重要的科学意义。

2004年美国国家标准与技术研究院(NIST)的Crowley等人提出一种基于激光冷却铯原子拉比振荡原理的功率测量方法，即采用小型喷泉钟装置制备铯(Cs)冷原子，通过一个特定圆柱形导波结构引导9.192GHz磁场与冷原子相互作用，测量基态两个超精细能级上原子布居数的拉比振荡曲线，利用振荡频率和微波磁场的理论关系计算导波结构内的磁场强度，进而实现功率的量子测量，其实验表明该方法与传统方法相比偏差小于5％。类似地，加拿大国家研究中心(NRC)的Paulusse等人将铷原子(⁸⁷Rb)冷却在由反亥姆霍兹线圈组成的磁光阱中，原子穿过波导传输线后在微波磁场的作用下发生拉比振荡，进行实验中微波磁场和功率的测量。基于冷原子拉比振荡实现微波功率测量离不开一套复杂的冷原子制备装置，功率馈入装置中存在诸多端口的阻抗不匹配，且难以对微波传输过程进行精确分析，导致微波功率测量的不确定度很大。近年来，日本计量院(NMIJ)的Kinoshita等人利用相位调制的微波信号与室温下基态铯原子产生拉比共振实现微波磁场测量，快速相位调制的9.192GHz微波磁场导致基态超精细能级发生强烈的布居数振荡，产生拉比共振信号。扫描相位调制频率可以得到原子拉比共振谱，通过精确测量微波磁场拉比频率，计算出导波结构中的微波功率。

以上利用基态碱金属原子的拉比振荡或拉比共振原理的微波磁场测量建立微波功率基准的方法最主要的缺陷在于测量频点的局限性，尽管能够通过外加磁场调控实现宽带测量，但调节的频率范围十分有限，更不能满足毫米波或太赫兹功率测量的需求。

发明内容

本发明针对传统功率测量方法在高频段难以精确测量分析以及基于拉比频率的测量方法设备复杂，不确定度高且测量频点有限等问题，提出了一种基于里德堡原子量子相干效应测量导波系统微波功率的装置及方法。将装有铷蒸气的低电磁扰动原子气室置于导波系统中，基于量子效应将对导波电场的测量转化为对原子吸收光谱的测量，利用功率和导波电场的解析量化关系，实现可溯源至普朗克常数的微波功率测量。

本发明提供了一种基于量子相干效应的微波功率测量装置，其包括：

第一定向耦合器，所述第一定向耦合器包括三个耦合端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；

所述第一定向耦合器的第一端口为微波馈入端口，用于连接待测微波；

第二定向耦合器，所述第二定向耦合器包括三个耦合端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，所述第二定向耦合器的第一端口为负载端口，用于连接匹配负载或者连接其他比对用功率传感设备；

直波导，其位于所述第一定向耦合器的第二端口与所述第二定向耦合器的第二端口之间；探测激光耦合到所述第一定向耦合器的第三端口，耦合激光耦合到所述第二定向耦合器的第三端口。

其中，进一步包括一个低电磁扰动原子气室，该原子气室位于所述直波导内的中间位置，所述原子气室包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述原子气室的第二腔室内封存碱金属原子气体，所述第一腔室和第三腔室分别位于所述第二腔室的两侧。

其中，两束激光在由第一定向耦合器、第二定向耦合器以及直波导构成的波导结构内相向传播，并作用在原子气室内部的基态原子上。

其中，在探测激光和耦合激光的作用下，基态原子被激发至高里德堡态，波导系统内部的微波电场与里德堡原子相互作用产生量子相干效应，通过测量探测激光透射谱线实现微波功率的精确测量，探测激光透射光谱被光电探测器接收，并通过数字示波器进行采集。

其中，进一步包括原子气室，所述原子气室为装有铷原子(⁸⁷Rb)的原子气室，该原子气室位于所述直波导内的中间位置。

其中，还包括有第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发出探测激光，所述第二激光器发出耦合激光。

其中，还包括有光电探测器以及数字示波器。

其中，所述探测激光与耦合激光在原子气室中与铷原子(⁸⁷Rb)相互作用，作用后的探测激光进入光电探测器，光电探测器采集探测激光透射谱线后输入数字示波器。

其中，所述直波导具有矩形波导的截面尺寸。

本发明还提供了一种微波功率测量方法，其包括：

步骤一：在直波导的以矩形波导截面较大尺寸a上选取测量位置点，测量距离底部较短尺寸b的距离，随机选取N个位置点(N≥3)；

步骤二：通过测得的AT劈裂宽度计算出对应位置的电场强度

步骤三：计算出波导中心位置的电场强度最大值E₀，得出在以基波模(TE₁₀)传输时矩形波导的传输内的微波功率P。

其中，将功率计测量的微波功率与所述步骤三测出的微波功率进行比对。

本发明对于建立新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波功率基准奠定了重要的技术基础。与传统功率测量的方法相比具有灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小等优势。

附图说明

图1为本发明涉及的铷(⁸⁷Rb)原子的里德堡原子四能级图；

图2为实际测得的信号谱线图；

图3为直波导内部的电场分布示意图；

图4为本发明基于里德堡原子量子相干效应测微波功率的装置示意图；

图5为本发明的低电磁扰动原子气室结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

本发明提供了一种基于里德堡原子量子相干效应测量导波系统微波功率的装置。为了精确地测量导波结构内的微波功率，首先需要对矩形波导内部电场进行分析。弱探测激光和强耦合激光沿导波系统相向传播作用于基态原子。

图1为本发明涉及的铷(⁸⁷Rb)原子的能级结构图，弱探测激光(～780nm)作用于基态5S_1/2(F＝2)至中间态5P_3/2(F’＝3)的跃迁，强耦合激光(～480nm)将原子从5P_3/2(F’＝3)激发到里德堡态nD_5/2，施加微波电场，此时原本被原子吸收的探测激光在共振频率附近出现透明窗口，产生阶梯型三能级电磁诱导透明(EIT)，波导内部的微波电场耦合nD_5/2→(n+1)P_3/2跃迁，与里德堡原子相互作用，使EIT透射谱线发生Autler-Townes(AT)劈裂。

图2为实际测得的信号谱线图，其中实谱线为EIT信号，虚谱线为加入微波电场后产生的EIT-AT劈裂信号。AT劈裂宽度Δf₀与外加微波电场的关系可以用(1)表示。

式中|E|为外加的微波电场的电场强度，为普朗克常量，为微波耦合对应的跃迁矩阵元，其数值可精确计算，微波电场的强度与Δf₀成正比。

矩形波导中的基波模TE₁₀电场空间分布E可用(2)式表示。

其中E₀是波导中心位置的电场强度(即最大值)，x为电场测量的相对位置。在实验时，将原子气室放置在直波导中，波导中的空间电场分布如图3所示，通过测量不同位置的电场强度，确定波导内的最大电场强度E₀。

根据公式(3)，由E₀可以得出在以基波模(TE₁₀)传输时矩形波导内传输的微波功率P。

其中〈S〉为能流密度，S₀为波导横截面面积，Z_TE为TE₁₀波的波阻抗。

式中a和b是矩形波导的截面尺寸，其中a是较大尺寸，f是频率，ε和μ是自由空间的介电常数和磁导率，c是真空中的光速。通过对导波结构中的最大电场强度E₀的测量，能够得到矩形波导的微波功率P，进而将微波功率P的测量转化为对频率量Δf₀，几何尺度a和b的测量。根据公式(1)、(2)和(5)可知，建立它们之间关系的是基本物理常数c，ε和μ。

图4为本发明的基于量子相干效应的微波功率测量装置示意图。优选为WR90(8.0GHz～12.4GHz)波段。该微波功率测量装置包括：第一定向耦合器1和第二定向耦合器2，所述第一定向耦合器1包括三个耦合端口，分别为第一端口3、第二端口4和第三端口5；所述第一定向耦合器的第一端口3为微波馈入端口，用于连接待测微波；所述第二定向耦合器2也包括三个耦合端口，分别为第一端口6、第二端口7和第三端口8，所述第二定向耦合器的第一端口6为负载端口，用于连接匹配负载或者连接其他比对用功率传感设备或者功率测量标准；直波导9，位于所述第一定向耦合器1的第二端口4与所述第二定向耦合器2的第二端口7之间，所述第一定向耦合器1的第二端口4与直波导9的一端之间通过法兰盘连接，所述第二定向耦合器2的第二端口7与直波导9的另一端之间通过法兰盘连接；原子气室10，所述原子气室10优选为装有铷原子(⁸⁷Rb)的原子气室，该原子气室10位于所述直波导9内的内部。所述第一定向耦合器1和第二定向耦合器2与直波导9的组合可称为导波系统，该导波系统不局限于这三个部件，还可以包括其他部件。

图5所示为原子气室的结构示意图。所述原子气室10为一个低电磁扰动原子气室，该原子气室一立方体腔体，所述腔体采用透光材料制成，优选所述透光材料为硼硅玻璃或石英；该原子气室位于所述直波导9内的中间位置，所述腔体的外形与所述直波导9的内部尺寸完全吻合，所述腔体的外表面的尺寸高度与宽度与直波导9的内部尺寸一致，所述原子气室包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和第三腔室的长度为所测微波波长的四分之一，第二腔室为真空腔室，其长度大于所测微波波长，所述第二腔室内封存碱金属原子气体。所述第一腔室和第三腔室分别位于所述第二腔室的两侧。所述原子气室10的长度方向沿直波导的延伸方向设置，激光从第一腔室入射、通过第二腔室、与其中的碱金属原子气体作用后、从第三腔室出射，或者激光从第三腔室入射、通过第二腔室、与其中的碱金属原子气体作用后、从第一腔室出射。

为了验证本发明测量方法和装置的有效性，采用微波信号源连接微波馈入端口(测试端口)，优选所述微波信号源产生特定频率和功率的微波信号，通过微波馈入端口耦合到所述第一定向耦合器1的第一端口3，通过所述第一定向耦合器1的第一端口3馈入到导波系统中；在负载端口可连接微波负载或商业功率计或功率测量标准，优选的可采用商用功率计在此负载端口进行耦合微波功率的测量，并将本发明测量结果于该与商用功率计进行比较。本实施例中商用功率计优选为生产商德国R&S，型号NRP Z21。

所述微波功率测量装置还包括有第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发出探测激光11，所述第二激光器发出耦合激光12，所述第一激光器发出的探测激光11经反射镜13反射后耦合到所述第一定向耦合器1的第三端口5，所述第二激光器发出的耦合激光12经二向色镜14反射后耦合到所述第二定向耦合器2的第三端口8，所述探测激光11沿所述第一定向耦合器1的第三端口5至所述第二定向耦合器2的第三端口8的方向传播，所述耦合激光12沿所述第二定向耦合器2的第三端口8至所述第一定向耦合器1的第三端口5的方向传播，所述探测激光11与耦合激光12在原子气室10中与铷原子(⁸⁷Rb)相互作用，透射过原子气室10的探测激光11经二向色镜14后进入光电探测器15中，耦合激光从左侧第一定向耦合器1的第三端口5射出，光电探测器15采集透射过原子气室10的探测激光，并输入示波器16显示。其中，两束激光在由第一定向耦合器、第二定向耦合器以及直波导构成的导波结构内相向传播，并作用在原子气室内部的基态原子上。在探测激光和耦合激光的作用下，基态原子被激发至高里德堡态，波导系统内部的微波电场与里德堡原子相互作用产生量子相干效应，通过测量探测激光透射谱线实现微波功率的精确测量，探测激光透射光谱被光电探测器接收，并通过数字示波器进行采集。

优选所述第一激光器为外腔半导体激光器，外腔半导体激光器提供实验所需探测激光，优选所述外腔半导体激光器发出的激光波长为780.24nm，功率20μW，腰斑直径100μm，采用原子饱和吸收谱稳频法将所述第一激光器的激光频率锁定在5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F’＝3)的共振跃迁处；优选所述第二激光器为倍频大功率半导体激光器，所述倍频大功率半导体激光器提供耦合激光，所述倍频大功率半导体激光器发出的激光波长为479.85nm，功率50mW，腰斑直径150μm，使用声光调制器(AOM)和商用射频源调谐所述第二激光器发出的探测激光的频率，使其在5P_3/2(F’＝3)→nD_5/2能级共振频率处扫描。使用光电探测器测量探测激光透射谱线信号，并经前置放大器进行滤波放大后使用数字示波器采集。

由公式(2)可知，WR90矩形直波导中的基波模(TE₁₀)电场应遵循sin(πx/a)的空间分布，仿真结果如图3所示，本发明中矩形直波导的电场分布与理论值相符。将导波系统放置在可移动平台上，在以矩形波导截面较大尺寸a上选取测量位置点，测量距离底部较短尺寸b的距离，随机选取N个位置点(N≥3)，选取多个位置点的目的是为了更加准确计算出波导内部电场强度最大值，本发明优选选取四个相对位置点，如图3所示，选取的点距离底部的距离分别为5mm,7mm,17mm,19mm进行测量，必要时可以选取更多的测试点位。在每个位置点上改变微波源输出功率，记录探测激光透射谱线与馈入微波功率的关系，根据公式(1)，通过实验测得的AT劈裂宽度(Δf₀)计算出对应位置的电场强度，由公式(2)计算出波导中心位置的电场强度最大值E₀，根据公式(5)可以得出在以基波模(TE₁₀)传输时矩形波导的传输内的微波功率P。

本发明是基于里德堡原子测量微波功率是一种全新的可溯源至普朗克常数的微波功率测量，该方法具有灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小等优势，有望形成新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波功率基准。与之前的技术的比对：

与现有的微波测量的装置相比，本发明中的实验装置较为简单，主要由两个高方向性定向耦合器，直波导与装有铷原子的原子气室组成；使用矢量网络分析仪对组成导波系统的各器件的传输特性进行测量，由于装置较为简单，因此便于对系统中的阻抗失配进行分析，能够有效的提高测量精确度。

本发明基于里德堡原子量子相干效应测量微波功率的方法，将导波电场测量转化为原子吸收光谱的探测，利用功率和导波电场的解析量化关系，实现一种全新的可溯源至普朗克常数的微波功率测量。这种全新的微波功率量子测量方法具有灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小等优势，有望形成新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波功率基准。

与量热方式的微波功率测量方法相比：本发明解决了其在高频段难以精确地评估诸如反射、传输损耗和热泄漏等问题。与基于拉比共振和拉比振荡的方法相比：本发明解决了实验设备复杂，难以对微波传输过程进行精确分析的问题，同时可以解决拉比共振和拉比振荡方法测量频点有限的问题。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置，其包括：

第一定向耦合器，所述第一定向耦合器包括三个耦合端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，所述第一定向耦合器的第一端口为微波馈入端口，用于连接待测微波；

第二定向耦合器，所述第二定向耦合器包括三个耦合端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，所述第二定向耦合器的第一端口为负载端口，用于连接匹配负载或者连接其它比对用功率传感设备或功率测量标准；

直波导，其位于所述第一定向耦合器的第二端口与所述第二定向耦合器的第二端口之间；

探测激光耦合到所述第一定向耦合器的第三端口，耦合激光耦合到所述第二定向耦合器的第三端口。

2.如权利要求1所述的微波功率测量装置，其特征在于：进一步包括一个低电磁扰动原子气室，该原子气室位于所述直波导内的中间位置，所述原子气室包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述原子气室的第二腔室内封存碱金属原子气体，所述第一腔室和第三腔室分别位于所述第二腔室的两侧。

3.如权利要求1所述的微波功率测量装置，其特征在于：还包括有第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发出探测激光，所述第二激光器发出耦合激光。

4.如权利要求1所述的微波功率测量装置，其特征在于：还包括有光电探测器和数字示波器。

5.如权利要求2所述的微波功率测量装置，其特征在于：所述探测激光与耦合激光在原子气室中与铷原子(⁸⁷Rb)相互作用，作用后的探测激光进入光电探测器，光电探测器采集探测激光透射谱线后输入数字示波器。

6.如权利要求1所述的微波功率测量装置，其特征在于：所述直波导具有矩形波导的截面尺寸。

7.一种采用权利要求1至6中任一项的微波功率测量装置的测量方法，其特征在于：

步骤一：在直波导的以矩形波导截面较大尺寸a上选取测量位置点，测量距离底部较短尺寸b的距离，随机选取N个位置点(N≥3)；

步骤二：通过测得的AT劈裂宽度计算出对应位置的电场强度；

步骤三：计算出波导中心位置的电场强度最大值E₀，得出在以基波模(TE₁₀)传输时矩形波导的传输内的微波功率P。