CN110401492B - 一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机 - Google Patents

一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机，调幅量子接收机中的两束激光共同泵浦使得基态碱金属原子被激发至里德堡态，里德堡态具有微波共振特性，可以接收微波调制信号，通过快速光电二极管测量探测激光经过原子的透射功率，直接获取在微波载波上的幅度调制信息。本发明无线电调幅信号量子接收机无需变频解调即可获取调制信息，具备灵敏度高、超宽带载波频率覆盖、远距离光纤传输、保密性和安全性高等特点，适用于各类基于幅度调制机制的微波毫米波和太赫兹通信。

Description

一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接 收机
技术领域
本发明属于量子信息和通信技术领域，具体地涉及一种基于光与原子相互作用的无线电调幅信号量子接收方法和装置，其基本原理是：两束激光(探测激光和耦合激光)共同泵浦使得基态碱金属原子被激发至里德堡态，里德堡态具有微波共振特性，可以接收微波调制信号，通过快速光电二极管测量探测激光经过原子的透射功率，直接获取在微波载波上的幅度调制信息。本发明无线电调幅信号量子接收机无需变频解调即可获取调制信息，具备灵敏度高、超宽带载波频率覆盖(～GHz-THz)、远距离光纤传输、保密性和安全性高等特点，适用于各类基于幅度调制机制的微波毫米波和太赫兹通信。
背景技术
接收机是雷达等各类电子通信系统的核心单元，其性能直接决定了通讯信号传输的灵敏度、可靠性和安全性。传统的接收机多数是基于超外差原理，即接收机对信号首先进行滤波以从无用的干扰信号中提取出需要的目标信号，信号经过一定级数的放大处理后，与本振频率混频后变成中频信号，从而解调出载波信号上携带的调制信息。
光与原子相互作用导致能级间的量子相干效应，在非线性光学、量子信息、量子精密测量等领域都有非常重要的理论和应用价值。里德堡态具有先天的微波共振特性，室温下里德堡原子自由空间射频电场精密测量，具备灵敏度高、可自校准以及频率覆盖范围宽等特点，目前被广泛研究应用于建立量子化的射频电场计量标准和量子传感器。
发明内容
本发明的目的之一是设计了一种基于量子效应的无线电调幅信号和调幅量子接收机，调幅量子接收机利用空间射频电场对高激发态的里德堡原子的量子相干效应，通过测量泵浦里德堡原子第一步激发(基态至第一激发态)所需探测激光在经过原子的透射功率，直接获取在微波载波上的幅度调制信息。本发明无线电调幅信号量子接收机无需变频解调即可获取调制信息，具备灵敏度高、超宽带载波频率覆盖(～GHz－THz)、远距离光纤传输、保密性和安全性高等特点，适用于各类基于幅度调制机制的微波毫米波和太赫兹通信。
本发明的目的之二是提出了一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法，其包括有下列步骤：
步骤一，理论计算里德堡态能级对应的跃迁频率；
里德堡态的射频共振频率可以根据量子态的能级信息进行精确计算
Figure GDA0002479170180000021
其中νnn′为从初态n到末态n'的共振跃迁频率，RRb为铷原子的里德堡常数，c为光速，δ(n)和δ(n')是里德堡原子跃迁的初态和末态对应的量子亏损数，量子亏损数主要取决于量子态的主量子数、角量子数和自旋量子数；反之，通过查表这些理论数据，可以确定与载波频率最接近的里德堡态共振频率，从而确定完成第一激发态到里德堡态跃迁所需耦合激光的波长；
步骤二，激光参数调整；
探测激光用于将处于基态的碱金属原子激发到中间态，即完成|g>→|e>的第一步激发；同时，通过饱和吸收谱单元产生碱金属原子的饱和吸收谱线，将探测光频率精确锁定到其中一条跃迁精细能级谱线上；
耦合激光用于第一激发态的原子激发到里德堡态，即完成|e>→|a>的第二步激发，通过双光场分步激发完成里德堡原子的制备，|a>具体能级由载波频率确定，在步骤一中确定；波长计用于准确测量并锁定耦合激光的波长，以确保原子被精准泵浦到里德堡态|a>；
步骤三，获取载波功率P和探测激光透射功率T的实验关系曲线；
信号源输出载波功率信号，将耦合激光器调整至频率扫描状态，以步骤二确定的耦合激光频率为中心进行频率扫描，如扫描范围设置为－100MHz～+100MHz，测量透射过原子气室的激光功率，获得透射谱线；从小至大，逐步调节信号源输出功率，确定可以使得耦合光共振频率处透射率发生变化的最小载波功率P1，以及使得探测光EIT曲线完全产生AT分裂是的最大载波功率P3；
再次将耦合激光器的频率精确锁定到步骤三确定的共振频率处，信号源产生载波频率，扫描信号源输出功率P1至P3，测量透射过原子气室的激光功率T；
步骤四，信号接收；
探测光频率锁定到特定的跃迁线上，耦合激光器的频率精确锁定到步骤三确定的共振频率处，原子气室内的里德堡原子接收空间幅度调制射频电场，光电二极管探测透射过原子气室的探测激光功率；
步骤五，获取调制信号；
对步骤四中采集到的随时间变化的探测激光透射功率T，对照获取的P－T曲线，进行插值处理，获取调制信号特征。
附图说明
图1是原子能极示意图。
图2是探测激光和强耦合激光的信号图。
图3是共振频率处激光强度与空间射频场强的关系图。
图4是本发明基于量子效应的无线电调幅信号接收装置的结构图。
图4A是测量时带有信号源的本发明无线电调幅信号接收装置的结构图。
图5是本发明调制信号接收与处理方法流程图。
图6是本发明实测10.22GHz空间场强和光电二极管接收探测激光的电压信号。
图7是本发明实测10.22GHz载波上不同频率幅度调制信号接收数据。
图8是本发明实测对10.22GHz载波不同频率幅度调制信号接收信噪比数据。
图9是本发明实测的里德堡跃迁性能图。
1.激光光源和信号采集单元 1A.探测激光
1B.原子饱和吸收谱锁单元 1C.波长计
1D.耦合激光 1E.光电二极管
101.AA光纤耦合头 102.AA分光镜
103.AA反射镜 111.AB光纤耦合头
112.AB分光镜 113.AB反射镜
2.光纤传输单元 2A.第一单模保偏光纤
2B.第二单模保偏光纤 2C.第三单模保偏光纤
3.空间射频电场传感单元 30.原子气室
301.CA光纤准直头 302.CA偏振器
303.反射镜 311.CB光纤准直头
312.CB偏振器 313.二向色镜
321.CA光纤耦合头 322.CB反射镜
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明基于量子效应的无线电调幅信号接收方法和基于量子效应的无线电调幅信号接收装置(简称为信号接收机)做进一步的详细说明。
一、基本原理
里德堡(Rydberg)原子通常指外层电子被激发到高量子态(对应主量子数很大，又称里德堡态)的原子。它具有原子半径大、自然寿命长、能级间隔小、极化率高、对外界电场敏感等特点。如图1所示为本发明涉及的原子四能级示意图，探测激光和耦合激光分别泵浦原子完成从基态|g＞到第一激发态|e＞跃迁以及第一激发态|e＞到第一里德堡态|R1＞跃迁，通过这种双光场激发机制可完成里德堡原子的制备。对于碱金属原子铷(Rb)原子，利用波长分别为780nm探测激光和约480nm耦合激光进行分步激发，可完成从基态(5S1/2)到第一激发态(5P2/3)再到里德堡态|R1＞的跃迁，理论分析表明，当耦合激光波长在478nm至488nm范围内调节，可实现到不同的里德堡态|R1＞的跃迁(主量子数n＝20～100)；对于碱金属原子铯(Cs)原子，利用波长分别为852nm探测激光和约510nm耦合激光进行分步激发，可完成从基态(6S1/2)到中间态(6P2/3)再到里德堡态|R1＞的跃迁，理论分析表明，当耦合激光波长在508nm至518nm范围内调节，可实现到不同的里德堡态|R1＞的跃迁(主量子数n＝20～100)。
在本发明中，对于S1/2和P2/3的取值参考2003年出版的“Millimeter-wavespectroscopy of cold Rb Rydberg atoms in a magneto-optical trap:Quantumdefects of the ns,np,and nd series”。
在上述|g＞→|e＞→|R1＞阶梯型三能级系统中，调节两束激光的功率，在弱探测激光和强耦合激光的作用下，可实现探测激光的电磁诱导透明(ElectromagneticallyInduced Transparency,EIT)，即在|g＞和|e＞共振频率附近出现透射峰，即原本被原子介质吸收得探测激光出现透明窗口，扫描探测光的频率可以获得图2中第一条曲线所示透射光谱。
里德堡态具有微波共振特性，即当处于第一里德堡态|R1＞感应到角频率为ω(ω＝2πf)的射频电场，且满足
Figure GDA0002479170180000041
(ΔE是临近里德堡态|R1＞和|R2＞之间的能量差，
Figure GDA0002479170180000042
为普朗克常数，|R2＞为第二里德堡态)时，|R1＞和|R2＞之间产生强共振，Ac-Stark效应导致EIT透射光谱被分裂为两条，如图2所示。
在图2中耦合激光失谐频率为零(即探测激光和耦合激光频率分别锁定在|g＞→|e＞和|e＞→|R1＞跃迁频率)处透射原子气室的探测激光强度，可以获得如图3所示空间射频场强和探测激光强度的变化关系T＝f(P)，T为透射激光强度，P为射频场强，f(P)为射频与激光强度的线性函数。所述T＝f(P)一般存在如下特点：随着空间射频场强从P1(P1<0.01V/m)逐渐增加至P2，透射原子气室的探测激光强度缓慢从T1减小至T2，则f(P)较小；空间射频场强从P2逐渐增加至P3时，透射原子气室的探测激光强度迅速从T2减小至T3，则f(P)较大；空间射频场强从P3继续增加时，由于EIT光谱彻底被劈裂成两个AT峰，此时，共振频率处的探测激光强度基本保持在T3不变，则f(P)等于0。上述关系意味着，空间射频场强处于P1～P3区域(P1≤P≤P3)时，激光共振频率处透射激光强度和空间射频场强的存在唯一对应关系，因此根据透射激光强度的测量可以确定空间射频电场。特别地，当空间射频场强处于P2～P3区域(P2≤P≤P3)时，由于f(P)较大，透射激光强度对空间射频电场的变化极为敏感，这种变量依赖关系为空间时变射频电场的幅度测量提供手段。
本发明基于上述量子效应实现无线电调幅信号接收方法。探测激光和耦合激光频率分别锁定在|g＞→|e＞和|e＞→|R1＞跃迁频率，载波信号表述为
Figure GDA0002479170180000051
其中载波频率w0为里德堡态|R1>和|R2>共振频率，改变单载波信号幅度uc，测量探测激光被原子气体吸收后的透射强度T，能够获取T和uc的函数关系为T＝f(uc)。t为采样时间，
Figure GDA0002479170180000052
为角频率。
当任意一调制信号m(t)对载波信号fc(t)进行幅度调制，调制后的信号表述为
Figure GDA0002479170180000053
其中ka为调制深度。调制后的信号幅度uc+kam(t)幅度随采样时间变化，导致观测到探测激光透射强度T随时间变化，根据T＝f(uc)的函数关系，通过插值处理，可以直接获取调制信号m(t)的特性。这就是本发明基于量子效应的无线电调幅信号接收的基本方法。
二、基于量子效应的无线电调幅信号接收机
参见图4所示的基于量子效应的无线电调幅信号接收机，其包括有激光光源和信号采集单元1、光纤传输单元2和空间射频电场传感单元3；
空间射频电场传感单元3
在本发明中，空间射频电场传感单元3包括有原子气室30、CA光纤准直头301、CA偏振器302、CA反射镜303、CB光纤准直头311、CB偏振器312、二向色镜313、CA光纤耦合头321和CB反射镜322。
CA光纤准直头301的一端与第一单模保偏光纤2A的另一端连接，CA光纤准直头301的另一端与CA偏振器302的一端连接，CA偏振器302的另一端与CA反射镜303的光纤端连接。
CB光纤准直头311的一端与第二单模保偏光纤2B的另一端连接，CB光纤准直头311的另一端与CB偏振器312的一端连接，CB偏振器312的另一端与二向色镜313的光纤端连接。
CA光纤耦合头321的一端与第三单模保偏光纤2C的另一端连接，CA光纤耦合头321的另一端CB反射镜322的光纤端连接。
原子气室30，又称原子蒸汽池(Vapor cell)，主要用于存储碱金属原子气体，材质一般为硼硅玻璃或石英，形状可以根据需要订制，常用的原子气室为圆柱形或立方体型。
偏振器(302、312)，一种调整激光偏正态的光学元件，激光入射至该光学元件后，可输出确定偏振状态的激光，常见的偏正器包括：方解石和α－BBO偏振器、偏振分束立方体和分光片、线栅偏振器等。本装置中的偏正器的用途是保证入射到原子气室内的激光为偏振状态一致的线偏光。
在本发明中，参见图4A所示，空间射频电场传感单元3在测量前的准备工作中，可以用辅助校准单元来模拟已知载波信号，传感器接收辐射电场，测量不同场强下的探测激光的光谱响应数据用于对接收信号的修正。
辐射天线，将馈入天线端口的电磁波能量转化为自由空间辐射能量，用于在自由空间产生特定频率的射频电场，对信号接收系统进行校准。辐射天线工作带宽需要覆盖接收信号载波频率范围，一般可选用口面喇叭天线。
信号源，辐射天线只有接收到有效馈电后才能在空间辐射电磁场，有效馈电需要同时满足频率、功率以及阻抗匹配等要求。信号源用于输出特定频率、一定功率强度的功率信号至天线端口，且信号源需要和天线阻抗匹配。一般可采用单台数字功率微波信号源，当信号源输出信号强度不能满足实验需要，可改用数字微波信号源配套功率放大器完成。
光纤传输单元2
在本发明中，光纤传输单元2由多个单模保偏光纤组成。第一单模保偏光纤2A的一端与AA光纤耦合头101连接，第一单模保偏光纤2A的另一端与CA光纤准直头301的一端连接。第二单模保偏光纤2B的一端与AB光纤耦合头111连接，第二单模保偏光纤2B的另一端与CB光纤准直头311的一端连接。第三单模保偏光纤2C的一端与快速光电二极管1E连接，第三单模保偏光纤2C的另一端与CA光纤耦合头321的一端连接。
光纤，用于传输探测激光和耦合激光，本发明中为了能够保证激光经远距离传输后保持线偏状态，因此需要选用单模保偏光纤。
光纤准直头(301、311)，将经过光纤传输的激光变为空间传输的激光。
光纤耦合头(101、111)，将空间传输的激光耦合至光纤后进行远距离传输。
激光源和信号采集单元1
在本发明中，激光光源和信号采集单元1包括有探测激光器1A、原子饱和吸收谱锁频单元1B、波长计1C、耦合激光器1D、快速光电二极管1E、AA光纤耦合头101、AA分光镜102、AA反射镜103、AB光纤耦合头111、AB分光镜112和AB反射镜113。
激光器(1A、1D)，激发泵浦原子完成特定能级跃迁，本发明中使用两台激光器(探测激光器1A、耦合激光器1D)分步激发基态的碱金属原子完成里德堡原子的制备。激光器的输出激光波长(频率)及其稳定度、功率、线宽等都是激光器的主要参数。对于铷原子系统，需采用780nm半导体激光器(探测激光)和480nm大功率倍频半导体激光器(耦合激光)；对于铯原子系统，需采用852nm半导体激光器(探测激光)和512nm大功率倍频半导体激光器(耦合激光)。
原子饱和吸收谱锁频单元1B，原子的饱和吸收光谱是一种高分辨率光谱，广泛应用于激光频率标准、激光冷却等方面。原子饱和吸收谱单元产生本发明所需碱金属原子的饱和吸收谱线，使用配套的锁频控制模块，将探测激光的频率锁定到碱金属原子特定的跃迁线上。
波长计1C，波长计是激光泵谱源中的常用仪器，用于精确测量激光的波长(频率)。本发明中波长计用于测量耦合激光的波长，以确保将原子激发到所需里德堡态。另一方面，高精度的波长计一般内嵌激光锁频模块，通过实时测量激光波长和设定目标波长之间的偏差，给激光器反馈电压或电流，从而完成耦合激光波长的锁定。
快速光电二极管1E，将光信号转换为电信号，进行光谱信号的测量。在本发明中，快速光电二极管的响应带宽要高于调制信号频率，因此对光电二极管输出的探测电压信号端安装了放大器来进行信号放大处理，同时可以设定滤波带宽，滤除无用的高频噪声信号。
为了方便说明，经第一单模保偏光纤2A的光记为A路激光，经第二单模保偏光纤2B的光记为B路激光。
A路激光，A路激光上有探测激光器1A、原子饱和吸收谱锁频单元1B、AA光纤耦合头101、AA分光镜102、第一单模保偏光纤2A、CA光纤准直头301、CA偏振器302和CA反射镜303。探测激光器1A和原子饱和吸收谱锁频单元1B为电缆连接。A路激光经CA反射镜303反射的光记为A1反射光，A1反射光经原子气室(碱金属原子)30激发后记为激发A路光。经CA光纤准直头301、CA偏振器302出射的A路激光入射到CA反射镜303上，经CA反射镜303后的A1反射光在原子气室(碱金属原子)30中激发成为激发A路光入射到二向色镜313上，然后一方面经二向色镜313、CB反射镜322后的激发A路光由第三单模保偏光纤2C传输至快速光电二极管1E上；然后另一方面顺次经二向色镜313、CB偏振器312、CB光纤准直头311、第二单模保偏光纤2B、AB光纤耦合头111、AB分光镜112、AB反射镜113后被波长计1C采集。
B路激光，B路激光上有波长计1C、耦合激光器1D、AB光纤耦合头111、AB分光镜112、AB反射镜113、第二单模保偏光纤2B、CB光纤准直头311、CB偏振器312和二向色镜313。波长计1C和耦合激光器1D为电缆连接。B路激光经二向色镜313反射的光记为B1反射光，B1反射光经原子气室(碱金属原子)30激发后记为激发B路光。经CB光纤准直头311、CB偏振器312出射的B路激光入射到二向色镜313上，经二向色镜313后的B1反射光在原子气室(碱金属原子)30中激发成为激发B路光入射到CA反射镜303上，然后顺次经CA反射镜303、CA偏振器302、CA光纤准直头301、第一单模保偏光纤2A、AA光纤耦合头101、AA分光镜102、AA反射镜103后被原子饱和吸收谱锁频单元1B采集。
在本发明的图5中，一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法，具体有下列步骤：
步骤1系统预热；
半导体激光器对外界环境温度湿度均较为敏感，为此测量前需要对探测激光1A和耦合激光器1D进行充分预热，确认设备进入稳定工作状态后进行下一步调试。
步骤2系统安装；
系统安装是指完成测量所需仪器设备、光学元件的安装和电路光路调整，具体包括：将原子气室30安装在信号接收位置；通过光学元件调整激光光路，使得激光光路满足测量需要，即保证两束激光在原子气室内重合并相向传播，且两束激光的偏振状态完全一致；调整光纤准直头和耦合头保证激光在光纤和自由空间有效耦合；光电探测器有效接收到探测。
步骤3理论计算里德堡态能级对应的跃迁频率；
里德堡态的射频共振频率可以根据量子态的能级信息进行精确计算。反之，通过查表这些理论数据，可以确定与载波频率最接近的里德堡态共振频率，从而确定完成第一激发态到里德堡态跃迁所需耦合激光的波长(频率)。
具体计算方法如下：
Figure GDA0002479170180000091
其中νnn'为从初态n到末态n'的共振跃迁频率，RRb为铷原子的里德堡常数(RRb＝109 736.605cm-1)，c为光速(c＝2.997 924 58×1010cm/s)，δ(n)是里德堡原子跃迁的初态对应的量子亏损数，δ(n')是里德堡原子跃迁的末态对应的量子亏损数，量子亏损数主要取决于量子态的主量子数、角量子数和自旋量子数。本发明采用如下二阶近似公式：
Figure GDA0002479170180000092
其中δ0是初始时的量子态常数，δ2是量子态相关的常数，常用的s态、p态和d态对应的数值可查阅文献数据获得。(Li,W.,Mourachko,I.,Noel,M.W.&Gallagher,T.F.Millimeter-wave spectroscopy of cold Rb Rydberg atoms in a magneto-optical trap:Quantum defects of the ns,np,and nd series.Phys.Rev.A-At.Mol.Opt.Phys.67,7(2003).第5页表VI)。
步骤4激光参数调整；
探测激光用于将处于基态的碱金属原子激发到中间态，即完成图1中的|g＞→|e＞的第一步激发。同时，通过饱和吸收谱单元产生碱金属原子的饱和吸收谱线，将探测光频率精确锁定到其中一条跃迁精细能级谱线上。
耦合激光用于第一激发态的原子激发到里德堡态，即完成图1中的|e＞→|R1＞的第二步激发，通过双光场分步激发完成里德堡原子的制备，|R1＞具体能级由载波频率确定，在步骤3中确定。波长计用于准确测量并锁定耦合激光的波长，以确保原子被精准泵浦到里德堡态|R1＞。
以上步骤1～步骤4为本发明测量准备过程。
步骤5获取载波功率P和探测激光透射功率T的实验关系曲线；
信号源输出载波功率信号，将耦合激光器1D调整至频率扫描状态，以步骤4确定的耦合激光频率为中心进行频率扫描，如扫描范围设置为－100MHz～+100MHz，测量透射过原子气室的激光功率，获得如图2中所示的透射谱线。从小至大，逐步调节信号源输出功率，确定可以使得耦合光共振频率处透射率发生变化的最小载波功率P1，以及使得探测光EIT曲线完全产生AT分裂是的最大载波功率P3。
再次将耦合激光器1D的频率精确锁定到步骤4确定的共振频率处，信号源产生载波频率，扫描信号源输出功率P1至P3，测量透射过原子气室的激光功率T，获得如图3所示的探测激光取载波功率P和探测激光透射功率T的实验关系曲线(以下简称P-T曲线)。
步骤5为本发明系统校准过程。
步骤6，信号接收；
探测激光器1A的频率锁定到特定的跃迁线上，耦合激光器1D的频率精确锁定到步骤4确定的共振频率处，原子气室30内的里德堡原子接收空间幅度调制射频电场，光电二极管探测透射过原子气室的探测激光功率。
步骤7，获取调制信号；
对步骤6中采集到的随时间变化的探测激光透射功率T，对照步骤5中获取的P-T曲线，进行插值处理，获取调制信号特征。
以上步骤6和步骤7为本发明信号接收处理过程。
本发明通过快速光电二极管测量探测激光经过原子的透射功率，直接获取在微波载波上的幅度调制信息。本发明无线电调幅信号量子接收机无需变频解调即可获取调制信息，具备灵敏度高、超宽带载波频率覆盖(～GHz－THz)、远距离光纤传输、保密性和安全性高等特点，适用于各类基于幅度调制机制的微波毫米波和太赫兹通信。
实施例1
使用室温条件下铷－87里德堡原子作为信号接收媒质。处于基态的铷－87原子在波长为780.241nm，功率为20μW的探测激光泵浦下完成|5S1/2,F＝2>到|5P3/2,F＝3>的跃迁，并通过铷－87原子饱和吸收谱将激光频率锁定在该跃迁线上；波长479.853nm，功率为140mW耦合激光与探测激光完全重合并相向传播，使得处于第一激发态|5P3/2,F＝3>的原子被进一步激发至里德堡59D5/2，耦合激光的频率通过高精度波长计(HighFinesse WS-8)内置PID模块进行频率锁定。上述探测激光和耦合激光分别有半导体激光器Toptica DL Pro和Toptica TA-SHG产生，并通过光纤传输耦合至原子气室。在强耦合激光作用下，较弱的探测激光产生电磁诱导透明现象，即在共振频率处原本被原子吸收的探测激光可以透射通过原子气室，此时使用声光调制器对频率锁定的探测激光或耦合激光进行频率扫描，光电二极管接收透射过原子气室的探测激光透射谱线，可以在共振频率处获得探测透明峰。
系统校准：微波信号源Agilent N5183A产生10.22GHz射频信号馈入至标准增益喇叭天线端口，从而在自由空间产生10.22GHz射频电场。原子气室距离天线2米(远场)，原子气室内处于59D5/2的里德堡原子感应到10.22GHz射频空间电场使得里德堡态59D5/2和60P3/2产生强共振。从小到大逐步调整微波信号源输出功率，保持探测激光和耦合激光频率锁定状态，使用光电二极管接收探测激光的透射光信号，图6为不同场强下光电二极管探测电压，探测电压随着空间射频场强的增大而逐渐减小。该曲线进行归一化处理后，可以作为后续进行调幅信号接收的校准曲线。
调幅信号接收示例：载波信号频率为10.22GHz，功率为0dBm，调制信号幅度为1V(峰峰值)不同频率的正弦波，对10.22GHz载波信号进行幅度调制，并馈入至辐射天线端口。原子气室内的铷-87原子在距离天线2m处感应射频空间电场，保持探测激光和耦合激光频率锁定状态，使用光电二极管接收探测激光的透射光信号。有信号放大器的光电二极管(Thorlabs PDA36A)探测电压随幅度调制空间电场幅度的变化而变化，对实测光电进行归一化并对照图6数据，可以直接恢复出传输的调制信号。图7分别给出了300kHz、500kHz、800kHz和1MHz调制信号的接收情况，图8是接收不同频率下幅度调制信号的信噪比情况。由此可见，本发明基于量子效应的无线电调幅信号接收方法对低频调幅频率越低信号恢复较好，目前的系统设置最多可以接收1MHz的幅度调制信号带宽。采用不同的波长的耦合激光可以将处于|5P3/2,F＝3>能级的原子泵浦到不同能级的里德堡态，进而可与不同频率的载波信号共振耦合，实现超宽带载波频率信号的接收。图9以nD5/2至(n+1)P3/2(n为主量子数)的里德堡跃迁为例，给出了从|5P3/2,F＝3>到nD5/2能级跃迁所对应的耦合激光波长以及可以实现nD5/2至(n+1)P3/2耦合的载波频率，由此可见，当耦合激光波长从479.1nm至491.6nm范围内调谐，可以接收从1GHz到500GHz的载波信号。
在探测灵敏度方面，由于处于里德堡态的原子具有较高的极化率，因此对外界空间电场及其敏感，其量子噪声极限为pV/cm，相比传统电子接收机前端的接收天线的灵敏度可提高3～6个数量级。
上述实施例证实了本方法的可行性。此外，本发明无线电调幅信号量子接收机无需变频解调即可获取调制信息，使用处于里德堡态的碱金属原子作为核心接收单元，具备灵敏度高、超宽带载波频率覆盖(～GHz－THz)、远距离光纤传输、保密性和安全性高等特点，适用于各类基于幅度调制机制的微波毫米波和太赫兹通信。

Claims (2)

1.一种基于量子效应的无线电调幅信号的调幅量子接收机，其包括有激光光源和信号采集单元(1)、光纤传输单元(2)和空间射频电场传感单元(3)；
激光光源和信号采集单元(1)中：
激光器，激发泵浦原子完成特定能级跃迁，使用两台激光器分步激发基态的碱金属原子完成里德堡原子的制备；
原子饱和吸收谱锁频单元(1B)，用于产生所需碱金属原子的饱和吸收谱线；
波长计(1C)用于测量耦合激光的波长，以确保将原子激发到所需里德堡态；
快速光电二极管(1E)，将光信号转换为电信号，进行光谱信号的测量；
光纤传输单元(2)用于传输探测激光和耦合激光，选用单模保偏光纤；
空间射频电场传感单元(3)中：
原子气室用于存储碱金属原子气体，材质一般为硼硅玻璃或石英，形状可以根据需要订制，常用的原子气室为圆柱形或立方体型；
偏振器，用于保证入射到原子气室(30)内的激光为偏振状态一致的线偏光；
光纤准直头将经过光纤传输的激光变为空间传输的激光；
光纤耦合头将空间传输的激光耦合至光纤后进行远距离传输；
对于铷原子系统，探测激光选用780nm半导体激光器、耦合激光选用480nm大功率倍频半导体激光器；
对于铯原子系统，探测激光选用852nm半导体激光器、耦合激光选用512nm大功率倍频半导体激光器；
偏振器是方解石和α-BBO偏振器、偏振分束立方体和分光片、线栅偏振器；
经第一单模保偏光纤(2A)的光记为A路激光，经第二单模保偏光纤(2B)的光记为B路激光；
A路激光，A路激光上有探测激光器(1A)、原子饱和吸收谱锁频单元(1B)、AA光纤耦合头(101)、AA分光镜(102)、第一单模保偏光纤(2A)、CA光纤准直头(301)、CA偏振器(302)和CA反射镜(303)；探测激光器(1A)和原子饱和吸收谱锁频单元(1B)为电缆连接；A路激光经CA反射镜(303)反射的光记为A1反射光，A1反射光经原子气室(30)激发后记为激发A路光；经CA光纤准直头(301)、CA偏振器(302)出射的A路激光入射到CA反射镜(303)上，经CA反射镜(303)后的A1反射光在原子气室(30)中激发成为激发A路光入射到二向色镜(313)上，然后一方面经二向色镜(313)、CB反射镜(322)后的激发A路光由第三单模保偏光纤(2C)传输至快速光电二极管(1E)上；然后另一方面顺次经二向色镜(313)、CB偏振器(312)、CB光纤准直头(311)、第二单模保偏光纤(2B)、AB光纤耦合头(111)、AB分光镜(112)、AB反射镜(113)后被波长计(1C)采集；
B路激光，B路激光上有波长计(1C)、耦合激光器(1D)、AB光纤耦合头(111)、AB分光镜(112)、AB反射镜(113)、第二单模保偏光纤(2B)、CB光纤准直头(311)、CB偏振器(312)和二向色镜(313)；波长计(1C)和耦合激光器(1D)为电缆连接；B路激光经二向色镜(313)反射的光记为B1反射光，B1反射光经原子气室(30)激发后记为激发B路光；经CB光纤准直头(311)、CB偏振器(312)出射的B路激光入射到二向色镜(313)上，经二向色镜(313)后的B1反射光在原子气室(30)中激发成为激发B路光入射到CA反射镜(303)上，然后顺次经CA反射镜(303)、CA偏振器(302)、CA光纤准直头(301)、第一单模保偏光纤(2A)、AA光纤耦合头(101)、AA分光镜(102)、AA反射镜(103)后被原子饱和吸收谱锁频单元(1B)采集。
2.一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法，其特征在于包括有下列步骤：
步骤一，理论计算里德堡态能级对应的跃迁频率；
里德堡态的射频共振频率可以根据量子态的能级信息进行精确计算
Figure FDA0002479170170000021
其中νnn'为从初态n到末态n'的共振跃迁频率，RRb为铷原子的里德堡常数，c为光速，δ(n)和δ(n')是里德堡原子跃迁的初态和末态对应的量子亏损数，量子亏损数主要取决于量子态的主量子数、角量子数和自旋量子数；反之，通过查表这些理论数据，可以确定与载波频率最接近的里德堡态共振频率，从而确定完成第一激发态到里德堡态跃迁所需耦合激光的波长；
步骤二，激光参数调整；
探测激光用于将处于基态的碱金属原子激发到中间态，即完成|g>→|e>的第一步激发；同时，通过饱和吸收谱单元产生碱金属原子的饱和吸收谱线，将探测光频率精确锁定到其中一条跃迁精细能级谱线上；
耦合激光用于第一激发态的原子激发到里德堡态，即完成|e>→|a>的第二步激发，通过双光场分步激发完成里德堡原子的制备，|a>具体能级由载波频率确定，在步骤一中确定；波长计用于准确测量并锁定耦合激光的波长，以确保原子被精准泵浦到里德堡态|a>；
步骤三，获取载波功率P和探测激光透射功率T的实验关系曲线；
信号源输出载波功率信号，将耦合激光器调整至频率扫描状态，以步骤二确定的耦合激光频率为中心进行频率扫描，如扫描范围设置为－100MHz～+100MHz，测量透射过原子气室的激光功率，获得透射谱线；从小至大，逐步调节信号源输出功率，确定可以使得耦合光共振频率处透射率发生变化的最小载波功率P1，以及使得探测光EIT曲线完全产生AT分裂是的最大载波功率P3；
再次将耦合激光器的频率精确锁定到步骤三确定的共振频率处，信号源产生载波频率，扫描信号源输出功率P1至P3，测量透射过原子气室的激光功率T；
步骤四，信号接收；
探测光频率锁定到特定的跃迁线上，耦合激光器的频率精确锁定到步骤三确定的共振频率处，原子气室内的里德堡原子接收空间幅度调制射频电场，光电二极管探测透射过原子气室的探测激光功率；
步骤五，获取调制信号；
对步骤四中采集到的随时间变化的探测激光透射功率T，对照获取的P－T曲线，进行插值处理，获取调制信号特征。
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