CN110261671A - 一种微波功率量子测量方法和真空腔体测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波功率量子测量方法和真空腔体测量装置。所述测量装置主要包括：真空腔，其内部容置空间为铷原子蒸气提供真空环境；所述真空腔侧壁连接铷源装置、真空计、离子泵等真空设备；在所述真空腔内部有第一定向耦合器和第二定向耦合器；所述第一定向耦合器与第二定向耦合器形成微波的导波通道，探测激光与耦合激光在导波通道中与铷原子相互作用。本发明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。微波测量装置和测量方法具有准确度高、灵敏度高、可溯源至基本物理常数等特点，特别适用于高准确度的微波功率测量应用，以及相关计量标准的建立。

Description

一种微波功率量子测量方法和真空腔体测量装置

技术领域

本发明涉及微波功率测量领域，特别是涉及一种微波功率量子测量方法和真空腔体测量装置。

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，尽管最新的研究表明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，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以及基于气室测量微波功率时存在的驻波及电磁扰动等问题，提供了一种原子真空腔的微波功率测量装置及方法，其中，将两个相连接的定向耦合器放置在真空腔中，并在真空腔中充满铷蒸气，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。

本发明提供了一种微波功率量子测量的真空腔体测量装置，其包括：真空腔，其内具有容置空间；铷源装置，其与所述真空腔的第一侧壁或第二侧壁上的接口连接；在所述真空腔内设置有第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一定向耦合器的第一端口与第三直波导、第一真空密封波导以及第一直波导相连，第一直波导的一端为微波馈入端口，用于连接待测微波；所述第二定向耦合器的第一端口与第四直波导、第二真空密封波导以及第二直波导相连，第一直波导的一端为负载端口，用于连接匹配负载或者功率测量标准或者其他比对用功率传感设备；所述第一定向耦合器与第二定向耦合器形成微波的导波通道，探测激光与耦合激光在导波通道中与铷原子相互作用，作用后的探测激光进入光电探测器。

其中，进一步包括外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器作为探测激光，完成激发铷原子从基态到激发态的泵浦，并作为测量用探测激光；

其中，进一步包括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，用于将激发态的原子泵浦至里德堡态；

其中，所述真空腔包括第三侧壁和第四侧壁，在所述第三侧壁和第四侧壁上设置有通光密封玻璃窗口。

其中，在所述第一侧壁或第二侧壁上形成有若干个连接接口，用于连接离子泵、真空计等真空设备。

其中，在所述真空腔两侧分别设置有反射镜和二向色镜。

其中，所述测量装置通过底板进行支撑，所述底板为光学平台或具有稳定支撑效果的平台。

本发明还提供了一种微波功率量子测量方法，其包括：

步骤一、使真空腔内达到真空环境，一般真空度应小于10^-6Pa；

步骤二、通过加热使得铷源装置释放铷蒸气，并充满整个真空腔体；

步骤三、探测激光与耦合激光沿两个定向耦合器的直通端组成的导波通道中传播，在导波通道中与铷原子相互作用，作用后的探测激光经右侧的二向色镜后进入光电探测器，并通过数字示波器进行数据采集；

步骤四、对数字示波器记录的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。

本发明的微波测量装置和测量方法具有准确度高、灵敏度高、可溯源至基本物理常数等特点，特别适用于高准确度的微波功率测量应用，以及相关计量标准的建立。

附图说明

图1本发明涉及的铷(⁸⁷Rb)原子的能级结构；

图2为探测激光透射谱线，实线谱线为EIT信号，虚线谱线为EIT-AT劈裂信号；

图3为本发明微波功率测量装置的立体结构示意图；

图4为本发明的微波功率测量装置的剖面结构示意图；

图5为导波通道中的电场空间分布示意图。

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的微波功率量子测量装置和方法。为了精确地测量导波结构内的微波功率，需要对定向耦合器直通端的内部电场进行分析。弱探测激光和强耦合激光沿导波通道相向传播作用于基态原子，图1是本发明涉及的铷(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59D_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59D_5/2→60P_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，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公式(1)表示。

式中|E|为外加的微波电场的电场强度，为约化普朗克常量，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。

定向耦合器直通端基波模(TE₁₀)电场空间分布E可用(2)式表示。

其中E₀是定向耦合器直通端中心位置的电场强度(即最大值)，x为电场测量的相对位置。所述定向耦合器直通端的空间电场分布如图5所示，通过测量不同位置的电场强度，确定直通端内的最大电场强度E₀。根据公式(3)，由E₀可以得出在以基波模TE₁₀传输时定向耦合器直通端传输的微波功率P。

其中〈S〉为能流密度，S₀为定向耦合器直通端横截面面积，Z_TE为TE₁₀波的波阻抗。

式中a和b是定向耦合器直通端的截面尺寸，其中a是较大尺寸，b是较小尺寸，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，能够得到馈入的微波功率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3为本发明微波功率的测量装置的立体结构示意图。图4所示为所述测量装置的内部截面结构示意图。结合图3和图4所示，所述测量装置包括真空腔1、第一直波导2和第二直波导3、第一真空密封波导4和第二真空密封波导5、铷源装置6、外接真空计7、离子泵装置8、机械泵接口9、底板10、带有圆法兰盘的第三直波导11和第四直波导12、第一通光密封玻璃窗口13和第二通光密封玻璃窗口14、位于真空腔1左侧的反射镜15以及位于右侧的二向色镜16，位于真空腔1内部的第一定向耦合器17和第二定向耦合器18，光电探测器19、数字示波器20。

所述测量装置通过底板10进行支撑，优选所述底板10为光学平台或具有稳定支撑效果的平台。所述真空腔1设置在所述底板10上，所述真空腔形成一容置空间；所述真空腔包括底壁，从底壁向上延伸的四个侧壁，分别为第一侧壁和与其相对的第二侧壁，第三侧壁和与其相对的第四侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁的长度相对较长，从而形成在水平方向延伸的真空腔；在所述四个侧壁上方形成有顶盖21，所述顶盖21形成有第一孔和第二孔。在所述第一侧壁或第二侧壁上形成有若干个连接接口，优选所述连接接口包括四个，四个接口依次连接有所述铷源装置6、外接真空计7、离子泵装置8和机械泵装置9，更具体而言，如果所述四个接口分别为第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，则所述铷源装置6连接到所述第一接口，所述外接真空计7连接到第二接口，所述离子泵装置8连接到第三接口，所述机械泵装置9连接到第四接口。

所述铷源装置6通过加热释放的方式为真空腔1内部提供原子蒸汽，所述外接真空计7对所述真空腔内部的真空度进行监测；离子泵装置8使真空腔保持高真空度；所述机械泵接口9，用于调试阶段真空腔体内部气体抽除。

在所述真空腔1内设置有第一定向耦合器17和第二定向耦合器18，所述第一定向耦合器17和第二定位耦合器18通过法兰盘相连放置在真空腔中；在真空腔中充满铷蒸气，所述铷蒸气均匀分布于所述第一定向耦合器17和第二定位耦合器18中。

所述第一定向耦合器17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18也包括三个耦合端口，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17的第二端口在真空腔1的中间区域通过法兰盘与所述第二定向耦合器18的第二端口连接；所述第一定向耦合器17的第三端口与所述真空腔1的第三侧壁相对，从所述第三侧壁到第一定向耦合器17的第三端口之间具有预留空间；所述第二定向耦合器18的第三端口与相邻的所述真空腔的第四侧壁相对，从所述第二定向耦合器18的第三端口到相邻的所述真空腔的第四侧壁之间具有预留间隙，从而能够保证铷蒸气进入所述第一定向耦合器17和第二定向耦合器18，在所述第一定向耦合器17和第二定向耦合器18连接形成的波导腔内部具有与真空腔1的其他位置处相同的铷蒸气浓度。

顶盖21形成有第一孔和第二孔，带有圆法兰盘的第三直波导11从所述第一孔穿过，并通过中间的圆法兰盘与顶盖21实现密封连接，所述第三直波导11一端与所述第一定向耦合器17的第一端口连接，另一端通过第一真空密封波导4与第一直波导2相连接。带有圆法兰盘的第四直波导12从所述第二孔穿过，并通过中间的圆法兰盘与顶盖21实现密封连接，所述第四直波导12的一端与所述第二定向耦合器18的第一端口连接，另一端通过第二真空密封波导5与第二直波导3相连接；所述第一真空密封波导4和第二真空密封波导5能够实现真空密封，同时还保证微波的传输不受影响，从第一直波导2传输的微波可以无衰减、不受影响的输出到所述第三直波导11中，从第四直波导12传输的微波可以无衰减、不受影响的输出到所述第二直波导3中。

所述第一定向耦合器17的第三端口与第二端口构成的直通波导与第二定向耦合器18的第三端口与第二端口构成的直通波导形成微波的测量通道，该导波通道同时为激光传播提供路径，即从真空腔1的第三侧壁的第一通光密封玻璃窗口13或第四侧壁的第二通光密封玻璃窗口14射入的激光在所述测量通道内传输。

第一直波导2用于连接待测微波源，提供稳定的被测微波功率，第二直波导3可以与微波功率标准或其他功率测量设备。待测微波源发出一定频率的微波，微波耦合到所述第一直波导2的微波馈入端口，并耦合至所述第二直波导3的负载端口。为验证方法的有效性，所述第二直波导2的负载端口连接商用功率计，优选生产商德国R&S，型号NRP Z21的商用功率计；用于测量微波功率，功率计测量的微波功率将与本发明计算出的微波功率进行比对验证。具体而言，探测激光与耦合激光沿第一定向耦合器的第三端和第二定向耦合器的第三端之间形成的导波通道(以下称测量通道)进行传播，在测量通道中与铷原子(⁸⁷Rb)相互作用，作用后的探测激光经右侧二向色镜16后进入光电探测器中，光电探测器19采集的探测激光透射谱线输入示波器20。

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)→60P_3/2(F’＝3)的共振跃迁处；所述探测激光经左侧反色镜15反射后进入到真空腔的第三侧壁上的真空密封窗口13。

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耦合激光的频率，使其在5P_3/2(F’＝3)→nD5/2共振频率处扫描，该耦合激光经右侧二向色镜16反射后进入到真空腔1的第四侧壁上的第二通光密封玻璃窗口14。使用光电探测器19测量探测激光透射谱线信号，经数字示波器20进行采集。

本发明中，为了使真空腔1内达到真空环境，首先通过第四接口连接机械泵进行第一级的真空抽除，通过外接真空计观察内部的真空状态，当腔体内达到相对真空状态(<10^{- 6}Pa)时，关闭机械泵接口，并启动离子泵8维持真空腔体内的真空度。通过局部加热灯方法或激光加热方法释放铷源装置6中的铷，使得真空腔1中充满铷蒸气。探测激光与耦合激光沿两个定向耦合器的直通端组成的导波通道中传播，在导波通道中与铷原子相互作用，作用后的探测激光经右侧的二向色镜后进入光电探测器，并通过数字示波器进行数据采集；对数字示波器记录的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。

由公式(2)可知，定向耦合器直通的导波通道中的基波模(TE10)电场应遵循sin(πx/a)的空间分布，图5所示为导波通道中的电场空间分布示意图。随机选取不同相对位置点进行测量。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E₀，根据公式(5)可以得出在以基波模(TE₁₀)传输时导波通道内传输的微波功率P。

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。

与使用原子气室的方法测量微波功率的方法相比，本发明中不涉及常用的原子气室，从而解决了由于气室内部的谐振以及表面的电磁散射效应对测量精度存在影响的问题；与量热方式的微波功率测量方法相比：本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。与基于拉比频率的方法相比：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，同时解决了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 (8)

1.一种微波功率量子测量的真空腔体测量装置，其包括：真空腔，其内具有容置空间；铷源装置，其与所述真空腔的第一侧壁或第二侧壁上的接口连接；在所述真空腔内设置有第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一定向耦合器的第一端口与第三直波导、第一真空密封波导以及第一直波导相连，第一直波导的一端为微波馈入端口，用于连接待测微波；所述第二定向耦合器的第一端口与第四直波导、第二真空密封波导以及第二直波导相连，第一直波导的一端为负载端口，用于连接匹配负载或者功率测量标准或者其他比对用功率传感设备；所述第一定向耦合器与第二定向耦合器形成微波的导波通道，探测激光与耦合激光在导波通道中与铷原子相互作用，作用后的探测激光进入光电探测器。

2.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：进一步包括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。

3.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：进一步包括外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器探测激光。

4.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：所述真空腔包括第三侧壁和第四侧壁，在所述第三侧壁和第四侧壁上设置有通光密封玻璃窗口。

5.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：在所述第一侧壁或第二侧壁上形成有若干个连接接口。

6.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：在所述真空腔两侧分别设置有反射镜和二向色镜。

7.如权利要求1所述的真空腔体测量装置，其特征在于：所述测量装置通过底板进行支撑，所述底板为光学平台或具有稳定支撑效果的平台。

8.一种采用权利要求1-7中任一项的的测量装置微波功率量子测量方法，其包括：

步骤一、使真空腔内达到真空环境，一般真空度应小于10^-6Pa；

步骤二、通过加热使得铷源装置释放铷蒸气，并充满整个真空腔体；

步骤三、探测激光与耦合激光沿两个定向耦合器的直通端组成的导波通道中传播，在导波通道中与铷原子相互作用，作用后的探测激光经右侧的二向色镜后进入光电探测器，并通过数字示波器进行数据采集；

步骤四、对数字示波器记录的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。