CN111637833B - 基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统。技术方案是：系统包括两个不同波长的激光器、两个相同的原子蒸汽泡、两个相同的光电探测器。第一个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡后被反射至一个光电探测器；第二个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡。两个原子蒸汽泡的位置呈镜像对称，对称轴垂直于两个原子蒸汽泡的中心的连线，并且经过上述连线的中点。本发明具有尺寸紧凑、测量精度高、测量灵敏度高的特点。

Description

基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种基于里德堡原子电磁感应透明效应(electromagnetically induced transparency，EIT)的角度测量系统及方法。

背景技术

如今，许多场景需要使用角度测量系统，例如室内定位、目标无源探测、电磁波频谱监测等。现有的角度测量系统种类很多，其中应用较广的包括幅度比较角度测量系统、相位比较角度测量系统。这些角度测量系统的缺陷在于：角度测量系统的天线由金属、介质或金属介质混合材料构成，这些材料会影响电磁场的边界条件，对空间电磁波产生扰动，进而影响测量精度。此外，现有的天线单元孔径尺寸因受限于CHU极限，其天线孔径尺寸必须与波长相比拟，需要测量的电磁波频率越低，波长越长，所需角度测量系统的天线孔径尺寸越大。

里德堡原子是指原子中有一个电子处于高能态且其能级跃迁满足里德堡方程的一类原子。里德堡原子具有相干时间长、对外部电磁场响应敏感的特点，利用里德堡原子与微波电磁场的相互作用可实现空间电磁场的精确测量，包括静电场测量、时变电场测量等。在通信领域，学者们提出了基于里德堡原子的新型通信接收机，参见文献[Meyer D H,CoxK C,Fatemi F K,et al.Digital communication with Rydberg atoms and amplitude-modulated microwave fields[J].Applied Physics Letters,2018,112(21).]。在测量领域，学者们提出了基于里德堡原子的测速系统和方法，参见文献[CN110488265A-基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法]，但是，该系统仅采用了一个原子蒸汽泡，无法获取电磁波的空间方位信息，因此，该系统无法用于角度测量。

到目前为止，还未见到将里德堡原子用于实现角度测量的公开报道。

发明内容

本发明提供一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统及方法，系统具有尺寸紧凑、测量精度高、测量灵敏度高的特点。

一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统，其特征在于，包括：两个不同波长的激光器、两个相同的原子蒸汽泡、两个相同的光电探测器。

第一个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡后被反射至一个光电探测器；第二个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自入射至一个原子蒸汽泡；利用第一个激光器得到的两束子激光束和利用第二个激光器得到的两束子激光束，分别相向入射原子蒸汽泡；两个原子蒸汽泡的位置呈镜像对称，对称轴垂直于两个原子蒸汽泡的中心的连线，并且经过上述连线的中点。

一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量方法，其特征在于，使用上述角度测量系统。

本发明的有益效果：

与现有角度测量系统及方法相比，基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统及方法具有以下优点：

1)现有角度测量系统的灵敏度受限于背景热噪声，基于里德堡原子的电场强度测量灵敏度可逼近标准量子极限，因此，基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统同样具有较高的灵敏度；

2)现有天线依靠金属产生感应电流实现对电磁波的响应，金属物质将对电磁波空间场产生扰动，扰动影响测量精度。本发明提供的测量系统与电磁波的响应依靠里德堡原子的电磁感应透明效应，不会对电磁波空间场产生扰动，进而间接的提高了测量精度。

3)现有的角度测量系统的天线单元孔径尺寸与电磁波波长相关，波长越大，天线单元孔径尺寸越大。本发明提供的测量系统可通过灵活调整激光器的波长，获得对不同波长电磁波的电磁感应透明效应，测量不同频率的电磁波。因此，系统的孔径尺寸与电磁波波长无关。

附图说明

图1为本发明基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统实施例1的示意图；

图2为本发明基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统实施例2的示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1所示是基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统实施例1，包括激光器1、2，分光镜3、4，二向色镜8、13，反射镜5、6、10、11、15、16、17，原子蒸汽泡7、12，光电探测器9、14。

原子蒸汽泡7和原子蒸汽泡12相同，都是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿，所述的碱金属原子可以是铯原子、铷原子等。原子蒸汽泡7、原子蒸汽泡12的形状可以是正方体、长方体或圆柱体等。原子蒸汽泡7、原子蒸汽泡12的安装位置满足如下条件：

1)原子蒸汽泡7的中心与原子蒸汽泡12的中心间距d在λ/2～λ之间，其中λ为入射电磁波的波长。

2)原子蒸汽泡7与原子蒸汽泡12的位置呈镜像对称，对称轴垂直于原子蒸汽泡7的中心与原子蒸汽泡12的中心的连线，并且经过上述连线的中点。原子蒸汽泡7的入射子激光束方向与对称轴之间的夹角是β，原子蒸汽泡12的入射子激光束方向与对称轴之间的夹角也是β，β的取值通常在10度至45度之间。

激光器1的入射激光束波长为λ₁、光束直径为w₁、功率为P₁。激光器2的入射激光束波长为λ₂、光束直径为w₂、功率为P₂。入射激光束波长λ₁大于入射激光束波长λ₂，功率P₁大于功率P₂，光束直径w₁小于光束直径w₂。

激光器1的入射激光束通过分光镜3后被分为相同的两束子激光束，其中，第一束子激光束依次经过反射镜5、6入射至原子蒸汽泡7，第二束子激光束依次经过反射镜10、11入射至原子蒸汽泡12。激光器2的入射激光束通过分光镜4后被分为相同的两束子激光束，其中，第一束子激光束依次经过反射镜15、16、二向色镜8入射至原子蒸汽泡7，第二束子激光束经过反射镜17、二向色镜13入射至原子蒸汽泡12。

激光器1的入射激光束分成的第一束子激光束与激光器2的入射激光束分成的第一束子激光束同时从原子蒸汽泡7的两端入射并形成光束交汇区域，此时原子蒸汽泡7中的碱金属原子将跃迁至里德堡态成为里德堡原子，同时原子蒸汽泡7中的里德堡原子将产生电磁感应透明效应(EIT)，使得激光器1的入射激光束分成的第一束子激光束穿透原子蒸汽泡7，经过二向色镜8后到达光电探测器9，光电探测器9用于测量激光器1的入射激光束分成的第一束子激光束的透射峰，本发明称该透射峰为第一个EIT峰。激光器1的入射激光束分成的第二束子激光束与激光器2的入射激光束分成的第二束子激光束同时照射原子蒸汽泡12并形成光束交汇区域，此时原子蒸汽泡12中的碱金属原子将跃迁至里德堡态成为里德堡原子，同时原子蒸汽泡12中的里德堡原子将产生电磁感应透明效应，使得激光器1的入射激光束分成的第二束子激光束穿透原子蒸汽泡12，经过二向色镜13后到达光电探测器14，光电探测器14用于测量激光器1的入射激光束分成的第二束子激光束的透射峰，本发明称该透射峰为第二个EIT峰。

当存在入射电磁波时，第一个EIT峰会产生Autler-Townes(AT)劈裂从而形成两个峰，本发明称该现象为第一个EIT-AT效应，两个峰之间的频率间距由入射电磁波的电场场强大小决定。第二个EIT峰也会产生AT劈裂从而形成两个峰，本发明称该现象为第二个EIT-AT效应，两个峰之间的频率间距同样由入射电磁波的电场场强决定。利用第一个EIT-AT效应可计算入射至原子蒸汽泡7的电磁波电场强度E₁，利用第二个EIT-AT效应可计算入射至原子蒸汽泡12的电磁波电场强度E₂。

根据计算得到的电磁波电场强度E₁和电磁波电场强度E₂，结合原子蒸汽泡7与原子蒸汽泡12的电场强度方向图，可以测量电磁波的入射角度，具体过程如下：

已知原子蒸汽泡7的电场强度方向图，即已知在方向θ上的电场强度取值为

原子蒸汽泡12的电场强度方向图，即已知在方向θ上的电场强度取值为

比值v(θ)表示为：

在入射电磁波以θ₀角度入射时，由测量得到，原子蒸汽泡7的电磁波电场强度E₁与原子蒸汽泡12的电磁波电场强度E₂的比值表示为：

v1＝E₁/E₂

将v1与v(θ)进行比较，查找得到与v1最为接近的v(θ)值所对应的角度

该角度

即为电磁场的入射角度θ₀的测量值。

图2所示是基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统实施例2，包括激光器1、2，准直镜3、5、7、8、10、12、15，环形器8、13，分光器4、16，原子蒸汽泡6、11，光电探测器9、14。

原子蒸汽泡6和原子蒸汽泡11相同，都是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿，所述的碱金属原子可以是铯原子、铷原子等。原子蒸汽泡6、原子蒸汽泡11的形状可以是正方体、长方体或圆柱体等。原子蒸汽泡6、原子蒸汽泡11的安装位置满足如下条件：

1)原子蒸汽泡6的中心与原子蒸汽泡11的中心间距d在λ/2～λ之间，其中λ为入射电磁波的波长。

2)原子蒸汽泡6与原子蒸汽泡11的位置呈镜像对称，对称轴垂直于原子蒸汽泡6的中心与原子蒸汽泡11的中心的连线，并且经过上述连线的中点。原子蒸汽泡6的入射光纤信号与对称轴之间的夹角是β，原子蒸汽泡11的入射子激光束方向与对称轴之间的夹角也是β。

激光器1的入射激光束波长为λ₁、光束直径为w₁、功率为P₁。激光器2的入射激光束波长为λ₂、光束直径为w₂、功率为P₂。入射激光束波长λ₁大于入射激光束波长λ₂，功率P₁大于功率P₂，光束直径w₁小于光束直径w₂。

激光器1的入射激光束经过准直镜3耦合入光纤，通过分光器4后被分为相同的两路光纤信号，其中，第一路光纤信号经过准直镜5转化为激光束入射至原子蒸汽泡6，第二路光纤信号经过准直镜10转化为激光束入射至原子蒸汽泡11。激光器2的入射激光束经过准直镜15耦合入光纤，通过分光器16后被分为相同的两路光纤信号，其中，第一路光纤信号依次经过环形器8、准直镜7后转化为激光束入射至原子蒸汽泡6，第二路光纤信号依次经过环形器13、准直镜12后转化为激光束入射至原子蒸汽泡11。

激光器1的入射激光束第一路光纤信号与激光器2的入射激光束第一路光纤信号同时从原子蒸汽泡6的两端入射并形成光束交汇区域，此时原子蒸汽泡6中的碱金属原子将跃迁至里德堡态成为里德堡原子，同时原子蒸汽泡6中的里德堡原子将产生电磁感应透明效应(EIT)，使得激光器1的入射激光束第一路光纤信号穿透原子蒸汽泡6，经过环形器8后到达光电探测器9，光电探测器9用于测量激光器1的入射激光束第一路光纤信号的透射峰，本发明称该透射峰为第一个EIT峰。激光器1的入射激光束第二路光纤信号与激光器2的入射激光束第二路光纤信号同时照射原子蒸汽泡11并形成光束交汇区域，此时原子蒸汽泡11中的碱金属原子将跃迁至里德堡态成为里德堡原子，同时原子蒸汽泡11中的里德堡原子将产生电磁感应透明效应，使得激光器1的入射激光束第二路光纤信号穿透原子蒸汽泡11，经过环形器13后到达光电探测器14，光电探测器14用于测量激光器1的入射激光束第二路光纤信号的透射峰，本发明称该透射峰为第二个EIT峰。

当存在入射电磁波时，第一个EIT峰会产生AT劈裂从而形成两个峰，本发明称该现象为第一个EIT-AT效应，两个峰之间的频率间距由入射电磁波的电场场强大小决定。第二个EIT峰也会产生AT劈裂从而形成两个峰，我们称该现象为第二个EIT-AT效应，两个峰之间的频率间距同样由入射电磁波的电场场强决定。利用第一个EIT-AT效应可计算入射至原子蒸汽泡6的电磁波电场强度E₁，利用第二个EIT-AT效应可计算入射至原子蒸汽泡11的电磁波电场强度E₂。

根据计算得到的电磁波电场强度E₁和电磁波电场强度E₂，结合原子蒸汽泡6与原子蒸汽泡11的电场强度方向图，可以测量电磁波的入射角度，具体过程如下：

已知原子蒸汽泡6的电场强度方向图，即已知在方向θ上的电场强度取值为

原子蒸汽泡11的电场强度方向图，即已知在方向θ上的电场强度取值为

比值v(θ)表示为：

在入射电磁波以θ₀角度入射时，由测量得到，原子蒸汽泡6的电磁波电场强度E₁与原子蒸汽泡11的电磁波电场强度E₂的比值表示为：

v1＝E₁/E₂

将v1与v(θ)进行比较，查找得到与v1最为接近的v(θ)值所对应的角度

该角度

即为电磁场的入射角度θ₀的测量值。

利用上述实施例进行试验，在试验1中，激光器1的入射激光束波长λ₁＝852nm，激光器2的入射激光束波长λ₂＝510nm，入射电磁波波长λ＝4.29cm，原子蒸汽泡的入射子激光束方向与对称轴之间的夹角β＝10度，两个原子蒸汽泡的中心间距d＝λ/2＝2.145cm，已知入射电磁波的电场强度为50nV/m，入射角度θ₀＝45度，利用本发明测量得到的角度为44.9度。在试验2中，激光器1的入射激光束波长λ₁＝780nm，激光器2的入射激光束波长λ₂＝480nm，入射电磁波波长λ＝1.35cm，原子蒸汽泡的入射子激光束方向与对称轴之间的夹角β＝12度，两个原子蒸汽泡的中心间距d＝λ/2＝0.675cm，已知入射电磁波的电场强度为45nV/m，入射角度θ₀＝30度，利用本发明测量得到的角度为30.05度。从上述结果，可以看出本发明的测量灵敏度较高、测量精度较高。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (4)

1.一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统，其特征在于，包括：两个不同波长的激光器、两个相同的原子蒸汽泡、两个相同的光电探测器；第一个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡后被反射至一个光电探测器；第二个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自入射至一个原子蒸汽泡；利用第一个激光器得到的两束子激光束和利用第二个激光器得到的两束子激光束，分别相向入射原子蒸汽泡；两个原子蒸汽泡的位置呈镜像对称，对称轴垂直于两个原子蒸汽泡的中心的连线，并且经过上述连线的中点。

2.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征在于，两个原子蒸汽泡的中心间距d在λ/2～λ之间，其中λ为入射电磁波的波长。

3.根据权利要求2所述的角度测量系统，其特征在于，第一个激光器(1)的入射激光束S1的波长λ1大于第二个激光器(2)的入射激光束S2的波长λ2，且入射激光束S1的功率P1大于入射激光束S2的功率P2，入射激光束S1的光束直径w1小于入射激光束S2的光束直径w2。

4.一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量方法，其特征在于，使用权利要求1所述的角度测量系统进行测量角度；包括：

已知第一个原子蒸汽泡的电场强度在方向θ上的取值为

第二个原子蒸汽泡的电场强度在方向θ上的取值为

比值v(θ)表示为：

在入射电磁波以θ₀角度入射时，由测量得到，第一个原子蒸汽泡的电磁波电场强度E1与第二个原子蒸汽泡的电磁波电场强度E2的比值表示为：

v1＝E1/E2

将v1与v(θ)进行比较，查找得到与v1最为接近的v(θ)值所对应的角度

该角度

即为电磁场的入射角度θ₀的测量值。

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