CN111308228B - 一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置，方法包括：耦合光的频率锁在中间态和里德堡态1的共振跃迁上，微波频率锁在里德堡态1和里德堡态2的共振跃迁上，在基态和中间态的共振跃迁频率附近扫描探测光的频率，测量探测光透过原子池后的光谱，以获得里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱；利用交流磁场调制样品原子能级的位置，对光谱进行频率调制；解调里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱，得到EIT‑AT分裂光谱的色散形鉴频信号。本发明提供的方法及装置利用交变磁场调制原子能级，等效于对光谱进行频率调制，天然没有残余幅度的问题，同时实验系统也更加简单和方便。

Description

一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置
技术领域
本发明属于弱信号探测技术领域，具体涉及一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置。
背景技术
里德堡原子由于具有大的电偶极矩，对外场十分敏感，相邻里德堡能级的跃迁频率在微波波段，因此在微波电场强度的测量、微波通讯等方面有非常大的应用前景。电磁感应透明(EIT)效应即原子与电磁波作用时产生量子相干效应,使弱探测光在原子共振处的吸收减小甚至于变为完全透明的现象。利用EIT效应可实现光速的减慢、磁场的测量和光存储等。Autler-Townes(AT)分裂,也称作AC Stark效应，指电磁场共振或近共振作用于原子或分子的跃迁时相应的吸收谱线产生分裂的现象。人们利用里德堡原子的电磁感应透明(EIT)和Autler-Townes(AT)分裂光谱来测量微波电场强度，这将为微波电场的测量提供量子基准[Nature Physics 8,819(2012)]。
在利用里德堡原子测量微波电场的实验中，由于EIT信号的幅度非常小，因此如何将如此弱小的变化测量得更加准确是人们追求的目标。在EIT&AT光谱中，涉及到两个激光场，分别是探测光、耦合光，以及一个微波场。描述电磁波的量有幅度、频率(相位)，人们已用调制耦合光幅度的方法[Nature Physics 8,819(2012)]、马赫曾德干涉仪(MZI)稳定激光相位[Scientific Reports 7,42981(2017)]、EOM调制探测光频率的方法[OpticsExpress 25,8628(2017)]提高信号读出的信噪比。MZI由于需要额外的频率稳定激光器来控制干涉仪的相位，因此MZI在实验上比调幅和调频光谱学更为复杂。在这些方法中，调频光谱法不涉及到光强的变化，因此相比调幅而言对系统和测量的影响更小。调频光谱法是一种替代性的、不太复杂的方法，它可以降低探测激光的技术噪声，从而实现光子发射噪声极限的性能。但利用电光调制器(EOM)调频时，往往会带来残余的激光幅度调制，这个是不希望的，尽管文献系统的[Optics Express 25,8628(2017)]利用反馈减小了EOM调频时的残余的激光幅度调制，但也额外增加了系统的复杂性。
因此，有必要提供一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置解决利用电光调制器带来残余的幅度调制问题，利用交变磁场调制原子能级，等效于对光谱进行频率调制，提高微波电场测量的信噪比。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)耦合光的频率锁在中间态和里德堡态1的共振跃迁上，微波频率锁在里德堡态1和里德堡态2的共振跃迁上，在基态和中间态的共振跃迁频率附近扫描探测光的频率，测量探测光透过原子池后的光谱，以获得里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱；
(2)利用交流磁场调制样品原子能级的位置，对光谱进行频率调制；
(3)解调里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱，得到EIT-AT分裂光谱的色散形鉴频信号。
进一步的，所述步骤(2)具体包括：
将信号源产生预设频率的正弦信号经过信号放大器放大预设倍后，将交流信号连接到作用于样品原子的一对调制亥姆霍兹线圈上。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的装置，所述装置包括：第一激光器、第二激光器、第一二向色镜、第二二向色镜、第一反射镜、第二反射镜、真空设备、一对亥姆霍兹线圈、光电探测器、微波源、信号源、信号放大器、锁相放大器和示波器；
第一激光器产生的探测光经第一反射镜和第一二向色镜后与第二激光器产生的耦合光经第二反射镜和第二二向色镜后与光电探测器、微波源的发射方向都朝向所述真空设备；微波源用于产生微波电场，真空设备用于制备样品原子气体；信号源第一端连接信号放大器，将产生的正弦信号经过信号放大器放大后连接到一对作用于样品原子的调制亥姆霍兹线圈上；光电探测器测量探测光透过真空设备后的光谱，并和信号源第二端都连接锁相放大器第一端，锁相放大器第二端连接示波器。
进一步的，所述真空设备为玻璃真空腔。
进一步的，所述样品原子为铷原子。
进一步的，所述第一激光器产生的探测光波长为780nm。
进一步的，所述第二激光器产生的耦合光波长为480nm。
进一步的，所述装置还包括光学垃圾桶。
本发明的效果在于，利用亥姆霍兹线圈对气体中的样品原子进行交流塞曼调制，等效对里德堡EIT&AT分裂光谱进行频率调制，通过解调调频光谱，能大幅度地提高色散形鉴频信号的信噪比，从而达到塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的目的。
附图说明
图1为塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比装置的光路示意图；
图2为样品原子的能级示意图；
图3为塞曼调频光谱提高读取信噪比的示例，(A)为光电测器直接测量的里德堡EIT信号，(B)为经过塞曼调频之后得到的色散形鉴频信号；
图4(A)为某一个微波电场强度下EIT的AT分裂(EIT Signal)，(B)为不同微波强度下EIT的AT分裂间距；
图5为利用塞曼调制光谱得到的色散形鉴频信号测量电场强度的示例，其中(A)为不同微波强度对应的色散形鉴频曲线，(B)为不同微波强度下色散形鉴频曲线在共振处附近的斜率。
图中：10-第一激光器；11-第一二向色镜；12-第二激光器；13-第二二向色镜；14-光电探测器；15-微波源；16-真空设备；17-信号源；18-信号放大器；19-亥姆霍兹线圈；20-锁相放大器；21-示波器；22-光学垃圾桶；23-第一反射镜；24-第二反射镜。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1为塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比装置的光路示意图。所述装置包括：第一激光器10、第二激光器12、第一二向色镜11、第二二向色镜13、第一反射镜23、第二反射镜24、真空设备16、一对亥姆霍兹线圈19、光电探测器14、微波源15、信号源17、信号放大器18、锁相放大器20和示波器21。
具体的，第一激光器10产生的探测光经第一反射镜23和第一二向色镜11后与第二激光器12产生的耦合光经第二反射镜24和第二二向色镜13后与光电探测器14、微波源15的发射方向都朝向所述真空设备16。微波源15用于产生微波电场。
探测光和耦合光相对传输，并严格重合，探测光穿过真空设备16后，被光电探测器14接受。探测光的光强约为30微瓦，光斑直径约为1毫米，偏振为左旋光。耦合光的光强约为30毫瓦，光斑直径约为2毫米，偏振为右旋光。
真空设备16用于制备样品原子气体。优选的，真空设备16为圆柱形玻璃真空腔，以减小噪声的影响，提高测量的精确度。
在一个具体的实施例中，样品原子为铷(Rb)原子。第一激光器10产生的探测光波长为780nm。第二激光器12产生的耦合光波长为480nm。
参阅图2，图2为样品原子的能级示意图。探测光的频率在基态和中间态跃迁附近扫描，耦合光的频率与中间态和里德堡态1共振，微波频率与里德堡态1和里德堡态2共振。此时扫描探测光频率就可以得到里德堡EIT&AT分裂光谱，分裂光谱的间距正比于微波电场强度。因此在实验上测量到分裂光谱的间距就可以得到微波电场强度。为了更精确地获得微波电场的信息，就需要提高读出里德堡EIT&AT分裂光谱信号的信噪比，以更加精确地得到光谱分裂光谱的间距。
在本发明中，是利用交变磁场调制原子能级，等效于对里德堡电磁感应透明信号光谱进行频率调制，天然没有残余幅度的问题。具体为：信号源17产生的正弦信号经过信号放大器18放大后，将交流信号连接到一对作用于样品原子的调制亥姆霍兹线圈19上。其目的是在铷池内部产生一个交变的均匀磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器14接收到的光谱进行频率调制。
在一个具体的实施例中，用一个信号源17产生150Hz的正弦信号，将这个信号分别送到锁相放大器20和信号放大器18，经过信号放大器18放大34倍后，将交流信号连接到调制亥姆霍兹线圈19上，其目的是在铷池内部产生一个交变的均匀磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器14接收到的光谱进行频率调制。
实验过程中，当把耦合光的频率锁在中间态和里德堡态1的共振跃迁上，把微波频率锁在里德堡态1和里德堡态2的共振跃迁上，在基态和中间态的共振跃迁频率附近扫描探测光的频率，就可以获得里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱。
光电探测器14测量探测光透过真空设备16后的光谱，并和信号源17第二端都连接锁相放大器20第一端，锁相放大器20第二端连接示波器21。信号源17能提供锁相放大器20解调时所需要的参考信号。将这个光谱信号送到锁相放大器20中解调，就可以得到EIT&AT分裂光谱的误差信号(色散形鉴频信号)。
在其他实施例中，装置还包括光学垃圾桶22。光学垃圾桶22用于收集实验中的耦合光，减少光学污染。
参阅图3，图3为塞曼调频光谱提高读取信噪比的示例，图3(A)为光电测器直接测量的里德堡EIT信号，图3(B)为经过塞曼调频之后得到的微分信号，即色散形鉴频曲线。图3中的横轴是探测光相当于基态和中间态共振跃迁的失谐量(Δprobe)，单位是MHz；图3(A)的纵轴是电磁感应透明的信号(EIT Signal)，单位是V；图3(B)的纵轴是经过塞曼调制解调后的色散形鉴频信号(Error Signal),单位是V。这里要注意的是待测量的微波电场强度正比于电磁感应透明的AT双峰的间隔。从图3，可以看到色散形鉴频曲线横轴的0点对应里德堡EIT的峰值位置。因此从色散形鉴频曲线过0点的两个位置，和从电磁感应透明的AT双峰位置，这两种方法得到EIT的AT分裂间距是等价的，但通过塞曼调频方法得到的色散形鉴频信号对于数据的读取信噪比提高了很多。因此塞曼调频方法可以提高里德堡电磁感应透明谱测量微波电场强度的信噪比。
区别于现有技术，本发明提供的一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的装置，不仅提高了信号读出的信噪比，而且更加简单稳定，可以提高测量的灵敏度，还可以集成到一个便携式、紧凑、稳定的装置。
本发明还提供一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：耦合光的频率锁在中间态和里德堡态1的共振跃迁上，微波频率锁在里德堡态1和里德堡态2的共振跃迁上，在基态和中间态的共振跃迁频率附近扫描探测光的频率。
其原理是：利用耦合光使样品原子的中间态和里德堡态发生拉曼效应，再加入微波电场的作用，实现拉曼吸收峰的劈裂，最后扫描探测光频率就可以得到里德堡EIT&AT分裂光谱。
步骤102：利用交流磁场调制样品原子能级的位置，对光谱进行频率调制。
具体包括：
将信号源产生预设频率的正弦信号经过信号放大器放大预设倍后，将放大后交流信号连接到作用于样品原子的一对调制亥姆霍兹线圈上。将交流信号连接到调制亥姆霍兹线圈上，其目的是在铷池内部产生一个交变的磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器接收到的光谱进行频率调制。
步骤103：解调里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱，得到EIT-AT分裂光谱的色散形鉴频信号。
下面我们分两种情况来分析本发明提高信号读出信噪比的效果：
一、微波电场强度比较大的线性区：
参阅图3，图3(A)为光电测器直接测量的里德堡EIT信号，图3(B)为经过塞曼调频之后得到的色散形鉴频信号。继续参阅图3，在图3(A)EIT的AT分裂谱中选择远离EIT峰的一段谱进行分析，具体例子是选择-30～-25MHz的数据(图中箭头处数据)，根据数据计算其方差为σN＝0.00251，接着计算白噪声的平均功率为<S2 real>＝1.5857×10-5，并最终计算出EIT信号的信噪比
Figure BDA0002367857740000081
同样选择图3(B)经过赛曼调制解调出的色散形鉴频信号在-30～-25MHz的数据(图中箭头处数据)，根据数据计算其方差为σN＝0.0071，作为白噪声的平均功率为<S2 real>＝0.00845，并最终计算出EIT信号的信噪比SNR＝22.2dB。EIT信号的信噪比是1.8dB，Error信号的信噪比是22.2dB，提高了20.4dB，故在本实施例中误差信号的信噪比比EIT&AT光谱信噪比提高了100倍！事实上，在其他实施例中，通过优化锁相调制的各种参数，还可以大幅度提高读取信噪比。
参阅图4，在微波电场强度足够使里德堡EIT光谱产生AT分裂时，从该方法可以直接测量得到微波电场的强度。图4展示的是在线性区，利用塞曼调制提高信号读取的信噪比的过程，同时可以测量并校准原子池处感受到的微波电场强度。图4(A)是在某一个微波电场强度下EIT的AT分裂(EIT Signal)，图4(B)是不同微波强度下EIT的AT分裂间距。图4(A)中横轴是探测光相当于基态和中间态共振跃迁的失谐量(Δprobe)，单位是MHz；图4(A)中纵轴是电磁感应透明EIT的AT分裂信号(EIT Signal)，单位是V；图4(B)的横轴是微波电场的强度(EMW)，单位是mV/cm；图4(B)的纵轴是电磁感应透明EIT的AT分裂间距，单位是MHz。
通过分别拟合的EIT的AT分裂谱得到每个AT分裂谱对应的峰位，然后相减得到EIT的AT分裂的间距，也可以直接读取色散形鉴频信号对应的两个过零点的位置，得到EIT的AT分裂的间距，这二者得到的结果是一致的，但是从图4(A)可以看出经过塞曼调频后得到的色散形鉴频信号的信噪比得到立刻很大的提升。通过EIT的AT分裂的间距，可以得到原子池处感受到的微波电场强度。然后通过微波强度线性衰减器来改变微波电场的强度以获得不同强度微波电场，测量在这些微波电场下EIT的AT分裂，得到不同微波强度下EIT的AT分裂间距，如图4(B)所示。图的横轴是微波电场的强度(EMW)，单位是mV/cm；图的纵轴是电磁感应透明EIT的AT分裂间距，单位是MHz。通过线性拟合，可以测量并校准原子池处感受到的微波电场强度，也就是可以校准微波源和辐射天线。然后可以通过微波强度线性衰减器来获得实验所需要的更弱的微波电场。
二、微波电场强度较弱的非线性区：
参阅图5，此时微波电场强度不足使使里德堡EIT光谱产生AT分裂，此时我们的方法展示EIT的色散形鉴频信号在共振处的斜率可以很好地表征微波电场强度的大小。图5为利用塞曼调制光谱得到的色散形鉴频信号测量电场强度的示例，其中图5(A)是在不同微波强度下通过塞曼调频测量得到的色散形鉴频曲线，横轴是探测光相当于基态和中间态共振跃迁的失谐量(Δprobe)，单位是MHz；纵轴是经过塞曼调制解调后的色散形鉴频信号(ErrorSignal),单位是V。其中色散形鉴频曲线横轴的0点对应里德堡EIT的峰值位置。通过线性拟合色散形鉴频曲线在里德堡EIT的峰值位置附近(例如加减2MHz)的斜率，可以得到不同微波强度下色散形鉴频曲线在共振处(横轴的0点)附近的斜率，结果如图5(B)所示。图5(B)为不同微波强度下色散形鉴频曲线在共振处(横轴的0点)附近的斜率，其横轴是微波电场的强度(EMW)，单位是mV/cm；图的纵轴是色散形鉴频曲线在共振处(横轴的0点)附近的斜率(Slope),单位是V/MHz。从图5(B)的结果，我们可以清晰地看出，色散形鉴频曲线在共振处(横轴的0点)附近的斜率(Slope)与微波电场强度成单调增长的关系，证实EIT的色散形鉴频信号在共振处的斜率可以很好地表征微波电场强度的大小，可见塞曼调频里德堡电磁感应透明谱提高微波电场强度测量信噪比的同时，也提供了一种测量微弱微波电场强度的新方法。还需要指出的是，微波源辐射到铷蒸汽池的强度由图4(B)线性区校准，实验中更弱的微波辐射由线性衰减器衰减得到。
区别于现有技术，本发明提供的一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置，利用亥姆霍兹线圈对气体中的样品原子进行交流塞曼调制，等效对里德堡EIT&AT分裂光谱进行频率调制，通过解调调频光谱，得到信噪比大幅度提高的色散形鉴频信号，从色散形鉴频信号的过零点的间距或斜率可以得到微波电场的强度信息。现有技术中的交流磁场塞曼调频光谱，展示的都是对二能级光谱的调制，我们这里是首次利用磁场塞曼调制里德堡电磁感应透明的多能级多辐射场的光谱，该方法可推广到并适用于其它多能级多辐射场的光谱测量，并提高光谱的读取信噪比。
本领域技术人员应该明白，本发明方法及装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）耦合光的频率锁在中间态和里德堡态1的共振跃迁上，微波频率锁在里德堡态1和里德堡态2的共振跃迁上，在基态和中间态的共振跃迁频率附近扫描探测光的频率，测量探测光透过原子池后的光谱，以获得里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱；
（2）利用交流磁场调制样品原子能级的位置，对光谱进行频率调制，具体包括，
将信号源产生预设频率的正弦信号经过信号放大器放大预设倍后，将交流信号连接到作用于样品原子的一对调制亥姆霍兹线圈上，进行交流塞曼调制；
（3）解调里德堡电磁感应透明EIT的AT分裂信号的光谱，得到EIT-AT分裂光谱的色散形鉴频信号，根据所述色散形鉴频信号的过零点的间距得到微波电场的强度信息；若微波电场强度不足使里德堡EIT光谱产生AT分裂，则根据EIT的色散形鉴频信号在共振处的斜率来表征微波电场强度的大小。
2.一种利用如权利要求1所述的塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比方法进行微波电场强度测量的装置，其特征在于，所述装置包括：第一激光器、第二激光器、第一二向色镜、第二二向色镜、第一反射镜、第二反射镜、真空设备、一对亥姆霍兹线圈、光电探测器、微波源、信号源、信号放大器、锁相放大器和示波器；
第一激光器产生的探测光经第一反射镜和第一二向色镜后与第二激光器产生的耦合光经第二反射镜和第二二向色镜后与光电探测器、微波源的发射方向都朝向所述真空设备；微波源用于产生微波电场，真空设备用于制备样品原子气体；信号源第一端连接信号放大器，将产生的正弦信号经过信号放大器放大后连接到一对作用于样品原子的调制亥姆霍兹线圈上，进行交流塞曼调制；光电探测器测量探测光透过真空设备后的光谱，并和信号源第二端都连接锁相放大器第一端，锁相放大器第二端连接示波器。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述真空设备为玻璃真空腔。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述样品原子为铷原子。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一激光器产生的探测光波长为780nm。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二激光器产生的耦合光波长为480nm。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光学垃圾桶。
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