CN111965578B - 一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法及装置。该装置包括：原子样品、超窄金属波导、第一微波耦合器、第二微波耦合器、抽运激光和探测激光；该方法中金属波导工作在近截止模式，截止频率约为原子跃迁频率，波导通道内有效介电常数约为零(ε≈0)，通道纵向微波场相移极小。原子样品置于波导的均匀微波磁场区域，在激光和隧穿微波共同作用下发生磁共振。本发明将超材料概念引入到微波激励原子精密谱中，在保持装置工作频率不变情况下，理论上可允许微波磁场均匀区长度和路径任意可调，有益于实现高性能原子钟、精确测定核磁矩、构建基于原子精密谱的微波传感器和微波场/功率标准。

Description

一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法及装置

技术领域

本发明涉及微波激励原子磁共振领域，特别是涉及一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法及装置。

背景技术

微波激励原子磁共振信号包含原子内部信息，不同微波激励场被用来探索或改进微波-原子互作用，以完善或加深人类对原子结构的认识。作为一个基础科学课题，微波激励原子磁共振研究如今已发展成微波波谱学学科，虽历经近百年历史，波谱学至今仍是科学前沿之一。与此同时，基于已了解的原子结构特征，激动人心的科学应用也不断涌现，其中最为著名的实例之一是1939年I.I.Rabi为精确测定核磁矩发明了分子束磁共振装置，而该装置最终直接导致了原子钟的问世。原子钟测量的时间/频率如今是国际上测量精度最高的物理量，在全球卫星导航定位系统、高速数据通信和电力系统等工程领域起着基础性支撑作用。

一个性能优异的微波激励原子磁共振装置应该具备提供长均匀微波磁场区的能力。这是因为，微波诱导原子共振谱的线宽与均匀场区长度成反比，在特定原子速度分布情况下，为获得高分辨率共振谱，总是希望微波和原子互作用距离尽可能长。在Rabi的共振实验中，均匀微波磁场区长度受限于工作波长，导致获得的磁共振谱分辨率不足。虽然这一难题后来被Rabi的学生N.F.Ramsey通过空间分离振荡场法很好地解决，但其单个互作用区长度仍短于工作波长。总之，增加微波和原子有效连续相互作用距离，即增加Rabi互作用长度，是微波波谱学领域一个重要挑战。

新近出现的超材料(介电常数ε≤0或磁导率μ≤0)因具有超凡电磁调控能力受到广泛关注，为重塑电磁科学提供了新的革命性的手段。其中，介电常数近零超材料(ε≈0)的特征在于，电磁波在ε≈0环境中有效波长近似无穷大(相移近零)，隧穿方向上电磁场均匀分布，其已在隐身、波束整形和光链接等场合显示了重要作用。然而，除部分太赫兹或光波段存在自然材料对应物外，ε≈0超材料一般均需借助复杂的周期结构人为构建。2008年，美国宾夕法尼亚大学N.Engheta团队研究表明，工作在截止模式的超窄空心金属波导可类比ε≈0效应，完全不需要周期微结构。考虑到原子磁共振对微波场形态的实际需求，前述相移近零的超简ε≈0超材料结构有望用于实现微波-原子互作用距离可调的磁共振谱激励。

发明内容

本发明提供一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法及装置，目的是将超材料概念引入到微波激励原子精密谱中，突破均匀微波场区的波长限制，显著降低相移影响，提高磁共振谱分辨率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，包括：

根据原子样品的跃迁频率制备金属波导；所述原子样品部分或全部位于所述金属波导中，包含所述原子样品的所述金属波导的工作模式为近截止模，所述近截止模对应的近截止频率为隧穿频率，所述隧穿频率等于所述原子样品的跃迁频率；

采用微波耦合器向所述金属波导馈入微波信号，在包含所述原子样品的所述金属波导中激励起工作模式为近截止模的微波场，微波以隧穿形式穿过波导通道；包含所述原子样品的所述金属波导的通道内部有效介电常数约为零；

对所述原子样品进行原子态的制备，得到态制备后的原子样品；所述态制备后的原子样品在所述波导通道中受到所述微波场激励发生磁共振。

可选的，所述根据原子样品的跃迁频率制备金属波导，具体包括：

利用公式w＝c/(2f_a)计算所述金属波导的初始宽度w；式中c为所述金属波导中的光速，f_a为所述原子样品的跃迁频率；所述金属波导的截面为矩形，矩形截面金属波导的截止模式为TE₁₀模；

根据所述原子样品的形状和尺寸确定所述金属波导的高度h和纵向长度l；

按照所述初始宽度w、高度h和纵向长度l制备初始金属波导；

调节所述初始金属波导的初始宽度w，使包含所述原子样品的所述初始金属波导的工作频率为原子跃迁频率，得到制备好的金属波导。

可选的，所述原子样品位于所述金属波导内部的均匀微波磁场区域。

可选的，所述对所述原子样品进行原子态的制备，可采用抽运激光完成。

可选的，所述态制备后的原子样品在所述波导通道中受到所述微波场激励发生磁共振之后，还包括：

采用探测激光对所述发生磁共振的原子进行检测，得到磁共振信号。

可选的，所述采用探测激光对所述发生磁共振的原子进行检测，得到磁共振信号，之后还包括：

调节所述金属波导的高度h和纵向长度l，对所述磁共振信号进行优化；优化后的磁共振信号用于核磁矩测定、原子钟频率参考或微波磁场精密测量；

所述有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法用于构建Rabi互作用距离可调的单振荡场原子精密谱探测装置，或者构建由多个有效介电常数近零Rabi互作用结构组成的Ramsey型磁共振精密谱装置；所述单振荡场原子精密谱探测装置或所述Ramsey型磁共振精密谱装置用于核磁矩测定、原子钟频率参考或微波磁场精密测量。

本发明还提供一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，包括：原子样品、金属波导、第一微波耦合器和第二微波耦合器；

所述金属波导工作在近截止模式，所述金属波导的截止频率近似为所述原子样品的跃迁频率；所述金属波导的横截面为矩形，所述金属波导的高度小于宽度；

所述第一微波耦合器位于所述金属波导的第一端，所述第一微波耦合器用于将微波信号馈入所述金属波导的波导通道；所述第二微波耦合器位于所述金属波导的第二端，所述第二微波耦合器用于将微波信号馈入所述金属波导的波导通道或将所述金属波导的波导通道中的微波信号引出；

所述原子样品部分或全部位于所述金属波导内部的均匀微波磁场区域。

可选的，还包括：第一截止波导、第二截止波导、第一过渡波导和第二过渡波导；

所述第一过渡波导和所述第二过渡波导均与所述金属波导的材料、宽度和高度相同，且所述第一过渡波导和所述第二过渡波导的长度和路径均可调节；

所述第一微波耦合器通过所述第一过渡波导与所述金属波导的第一端连接，所述第二微波耦合器通过所述第二过渡波导与所述金属波导的第二端连接。

可选的，还包括：抽运激光和探测激光；所述抽运激光用于对原子样品进行原子态的制备，态制备后的原子在所述均匀微波磁场激励下发生磁共振。所述态制备后的原子在所述均匀微波磁场激励下发生的磁共振采用所述探测激光进行检测，得到磁共振信号。

可选的，所述原子样品为依次飞行穿过所述第一截止波导、所述金属波导通道和所述第二截止波导的原子束或原子团；或者所述原子样品为完全或部分置于所述金属波导中的玻璃封装原子气室样品；

可选的，所述金属波导与所述第一微波耦合器以及所述第二微波耦合器之间阻抗匹配，所述第一微波耦合器以及所述第二微波耦合器与50欧姆或75欧姆阻抗的微波同轴线缆之间阻抗匹配。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)在保持工作频率不变情况下，微波-原子互作用长度和路径任意可调。本发明将原子样品置于一段超窄金属波导通道中，原子跃迁频率约为通道截止频率，也是所述装置的工作频率。在前述工作频率下，通道内有效介电常数约为零(ε≈0)，有效波长近似无穷大，使得微波-原子连续互作用所需的均匀微波场区理论上可无限延长，且工作频率独立于互作用距离变化，彻底摆脱了经典结构的波长限制。另，ε≈0模工作允许通道在具有弯折等异形结构时仍保持场强均匀。综上，本发明置可显著提升原子的微波谱分辨率，为微波和原子互作用研究提供新平台；

(2)微波-原子互作用区场相位恒定。本发明以波导截止模类比于ε≈0效应，通道内相速理论上无限大，显著降低了互作用过程中相移对原子跃迁影响。在构建多互作用区Ramsey型精密谱装置时，原子跃迁信号敏感于不同互作用区之间的相位差，此时，采用极低相移ε≈0互作用结构的优势更加突出。

(3)兼容性好，扩展灵活。本发明所述ε≈0模微波激励原子磁共振装置为中空全金属结构，摒弃了常规超材料所需的复杂周期构造，适宜与原子束和原子气室等多种不同体系原子样品兼容。

(4)微波-原子互作用区体积小，结构紧凑。本发明ε≈0通道越窄，微波隧穿效应越显著，故实际工作过程中可实现金属波导内壁紧邻原子样品外部边缘进行互作用装置设计，极大减小所述磁共振互作用装置体积，结构紧凑，便于混合量子系统集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的纵向截面示图；

图2为本发明实施例1的俯视图；

图3为本发明实施例1的横截面示图；

图4为本发明实施例1的三维结构示意图；

图5为本发明实施例1的三维结构纵向剖面示图；

图6为本发明实施例1的S参数图；

图7为本发明实施例1的S参数局部放大图；

图8为本发明实施例1的微波磁场分布图；

图9为本发明实施例2的三维结构示意图；

图10为本发明实施例2的三维结构纵向剖面示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，包括以下步骤：

步骤1：根据原子样品的跃迁频率制备超窄矩形截面的金属波导。本发明制备的金属波导的截止模式为TE₁₀模，金属波导的工作模式为近截止模，工作频率为近截止频率，又称为隧穿频率f_t。原子样品部分或全部位于金属波导中，为激发原子磁共振，包含原子样品的金属波导的工作频率须严格等于原子样品的跃迁频率f_a，因此，金属波导截止模式TE₁₀对应的截止频率f_c近似为原子样品的跃迁频率f_a，即f_c≈f_a＝f_t。

所述原子样品的跃迁频率和所述近截止模提供了所述金属波导的制备需求。超窄金属波导是指金属波导的宽度w远大于高度h，即w/h>>1。金属波导的截止频率f_c＝c/(2w)，c为所述超窄金属波导中的光速，根据原子样品的跃迁频率f_a即可计算w的近似值：w≈c/(2f_a)。按照前述金属波导的宽度w制备所述金属波导。具体的，首先，利用公式w＝c/(2f_a)计算所述金属波导的初始宽度w，根据原子样品的形状和尺寸确定金属波导的高度h和纵向长度l，按照初始宽度w、高度h和纵向长度l制备初始的金属波导。

步骤2：采用微波耦合器向所述金属波导馈入微波信号，使所述金属波导的工作模式为近TE₁₀截止模。此时波导内部有效介电常数近零(ε≈0)。所述微波信号以隧穿形式穿过所述金属波导中ε≈0的超窄通道，产生微波磁场，隧穿频率f_t≈f_c。将所述原子样品置于所述超窄金属波导内部的均匀微波磁场区域，围绕c/(2f_a)微调金属波导的宽度w，使f_t精确为f_a，得到最终制备完成的金属波导。此时隧穿微波和所述原子样品具备磁共振发生的前提。

步骤3：采用激光制备和检测原子态。以抽运激光完成原子态的制备，态制备后的原子即可在前述ε≈0波导内受到微波磁场激励发生磁共振，实现态共振反转的原子经过探测激光检出，得到高精密磁共振信号。

步骤4：根据需要优化磁共振信号。因前述微波激励磁共振发生在ε≈0环境，隧穿频率f_t独立于所述金属波导的高度h和纵向长度l。故得到高精密磁共振信号之后，可通过调节h和l以优化磁共振信号，将优化的磁共振信号用于核磁矩精确测定、原子钟频率参考和微波磁场精密测量等过程。

本发明还提供一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，包括：原子样品、超窄矩形截面金属波导、第一截止波导、第二截止波导、第一过渡波导、第二过渡波导、第一微波耦合器、第二微波耦合器、抽运激光和探测激光，具有以下几个主要特征：

(1)所述原子样品和所述超窄矩形截面金属波导构成本发明微波激励原子磁共振装置的物理核心；

(2)所述超窄矩形截面金属波导是指所述矩形截面金属波导的高度h远小于其宽度w。所述超窄矩形截面金属波导工作在近TE₁₀截止模，所述超窄矩形截面金属波导通道内有效介电常数约为零(ε≈0)，微波相速和有效波长近无穷大。微波磁场沿所述超窄金属波导纵向呈均匀分布，所述微波磁场均匀性和所述超窄金属波导的微波隧穿频率f_t均独立于波导纵向长度l；

(3)所述原子样品处于所述超窄金属波导的均匀微波磁场区，微波激励原子磁共振信号可以在几乎不改变所述超窄金属波导隧穿频率和场分布情况下，通过大范围调解所述超窄金属波动纵向长度l进行优化；

(4)所述超窄金属波导两端分别连接所述第一微波耦合器和第二微波耦合器，所述超窄金属波导与所述第一微波耦合器和第二微波耦合器之间阻抗匹配，所述第一微波耦合器和第二微波耦合器与现行常用微波同轴线缆(50欧姆或75欧姆阻抗的微波同轴线缆)之间阻抗匹配，用以实现微波信号低损传输和隧穿；

(5)所述ε≈0微波激励原子磁共振装置具有微波-原子互作用区相移极低和场均匀区极长的优势属性，除可用作Rabi互作用距离可调的单振荡场原子精密谱探测外，还可将多个ε≈0Rabi互作用结构组合使用，构建Ramsey型磁共振精密谱装置，提升核磁矩精确测定、原子钟磁共振增强和微波磁场精密测量的能力；

(6)所述原子样品可以是原子束、原子气室等多种不同原子体系。当原子样品为原子束时，原子态的制备和磁偶极跃迁探测可在微波-原子互作用区内或外进行，若激光-原子互作用发生在微波-原子互作用区内部，则所述超窄金属波导上开有通光孔，所述通光孔用于通过激励原子跃迁所需的激光。当原子样品为原子气室时，原子态的制备和磁偶极跃迁探测可在微波-原子互作用区内进行，激光-原子互作用区与微波-原子互作用区交叠；

(7)所述原子样品可以在真空环境中直接穿过所述ε≈0均匀微波磁场区，也可在大气环境中以气室形式部分或整体置于所述ε≈0均匀微波磁场区。

下面结合具体实施例，进一步说明本发明上述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置。

实施例1

图1为本发明实施例1的纵向截面示图，图2为本发明实施例1的俯视图，图3为本发明实施例1的横截面示图，结合图1-图3所示，本实施例的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置中，超窄金属波导1的两端开有供原子样品5通过的小孔，开孔位置紧邻所述超窄金属波导1的H面，开孔尺寸取决于所述原子样品5的尺寸和所述超窄金属波导1的截止频率，所述超窄金属波导1的纵向长度和路径可调，取决于所述原子样品5的形态。所述原子样品5可以是飞行穿过所述超窄金属波导1均匀微波磁场区的原子束、原子团，也可以是置于玻璃气室中的原子。若原子样品5置于玻璃气室中的原子时，原子所在的玻璃气室既可以整体置于所述超窄金属波导1的均匀微波磁场区，也可以插入形式，部分地处于均匀微波磁场区。

超窄金属波导1的开孔连接有第一截止波导21和第二截止波导22，以降低微波泄露，第一截止波导21和第二截止波导22彼此共线，其用材与所述超窄金属波导1相同。

本实施例中第一过渡波导31和第二过渡波导32用来将第一微波耦合器41和第二微波耦合器42分别与所述超窄金属波导1进行低损连接，第一过渡波导31和第二过渡波导32的材料与所述超窄金属波导1相同，其长度和路径可调。所述第一过渡波导31和第二过渡波导32和所述超窄金属波导1的宽度和高度相同，均工作在近TE₁₀截止模，调节其长度和路径过程中将不会对本实施例磁共振装置的工作频率和微波场形造成显著扰动，这是本发明有效介电常数近零(ε≈0)微波激励结构的突出优势。

本实施例中，第一微波耦合器41和第二微波耦合器42用来将外部微波信号分别低损馈入第一过渡波导31和第二过渡波导32，或将微波信号从第一过渡波导31或第二过渡波导32引出。第一微波耦合器41和第二微波耦合器42可同时用作馈入，也可以一个用作馈入，另一个用作引出。如图1所示；所述第一微波耦合器41和第二微波耦合器42既可以采取波导同轴转换形式，也可以是基片集成波导形式。

原子样品5在进入微波-原子互作用区前，即进入所述超窄金属波导1前，首先要通过抽运激光6进行原子态的制备，通过所述超窄金属波导1后再由探测激光7进行磁共振探测。所述抽运激光6和探测激光7的频率取决于磁共振所用的原子样品5及其相关能级。当原子样品为原子束或原子团时，抽运激光6和探测激光7可位于微波-原子互作用区内或外部；当原子样品为原子气室时，抽运激光6和探测激光7可以是同一束激光，通过所述截止波导21、22进入微波-原子磁共振区域，即激光-原子互作用区和微波-原子互作用区交叠。

以原子样品5为铯原子束为例，可通过9.19GHz微波磁场激励其基态F＝3→F＝4磁偶极跃迁，得到所述铯原子束的微波磁共振谱。工作过程中，截面尺寸为0.4mm×1mm的铯原子束5在852nm F＝4→F'＝4激光6的抽运下，所有基态原子均布居到F＝3能级上。前述原子通过内截面尺寸为0.6mm×1.2mm的无氧铜截止波导21进入一段超窄矩形截面无氧铜空心波导1中，前述波导1内部为真空，内高h＝0.6mm。截止波导21靠近波导1的H面；

所述金属波导1的工作模式为近TE₁₀截止模，所述铯原子束5位于波导1的微波磁场区。由于原子跃迁具有频率选择特性，故为了磁激励所述铯原子束5，需使所述波导1的TE₁₀截止模对应的频率f_c＝c/(2w)近似为铯原子基态跃迁频率f_a＝9.19GHz，其中c为波导1中的光速，w为波导1的宽度，据此得到w的近似值：w≈c/(2f_a)＝16.32mm。此时所述波导1内部ε≈0，微波以隧穿形式通过ε≈0波导通道，隧穿频率f_t≈f_c。所述原子束5和所述波导1构成本发明ε≈0微波激励原子磁共振装置的物理核心。

图4为本发明实施例1的结构示意图，图5为本发明实施例1的剖面示意图，结合图4-图5所示，本实施例中，采用两个内截面尺寸为22.86mm×10.16mm的标准X波段波导同轴适配器41、42，连接50欧标准同轴接口和过渡波导31、32。过渡波导31、32的内截面尺寸与超窄波导1相同，均工作在ε≈0模，其作用是将适配器41、42和超窄波导1进行低损连接。本实施例中，适配器41向过渡波导31馈入微波，适配器42从过渡波导32中引出微波。在该设置的基础上，围绕16.32mm微调w，使f_t精确为f_a，此时所述波导1中隧穿微波和所述原子样品5发生磁偶极相互作用，诱导F＝3能级原子跃迁至F＝4能级。F＝4能级原子通过所述超窄金属波导1和截止波导22后再由探测激光7进行光检，得到高精密磁共振信号。

图6给出了所述超窄金属波导1纵向长度(亦即Rabi互作用长度)l＝30、60、120、240mm时本实施例磁共振装置的S参数，图中阴影部分为共振频率附近S参数(图7)。可以看出，在截止频率f_c附近，所述装置中微波近乎无反射地通过超窄波导通道，此时所述波导1内有效介电常数约为零(ε≈0)，有效波长极大，隧穿频率f_t独立于金属波导纵向长度l，使得显著增加l时保持铯原子束有效磁激励成为现实。

图8展示了微调w达到精确磁共振(f_t＝f_a)时微波-原子互作用路径上的微波磁场，显见在调节Rabi互作用长度时，铯原子感受到的微波磁场独立于l保持等幅。由于Rabi磁共振信号线宽反比于微波-原子互作用长度l，故本发明提出的l可调磁激励可彻底突破波长限制，显著增强磁共振信号，这是本发明有效介电常数近零(ε≈0)微波激励结构的突出优势。

实施例2

基于前述实施例构建ε≈0微波激励原子Rabi磁共振装置的基本原则，本实施例构建了ε≈0的Ramsey型磁共振精密谱装置。如图9和图10所示的具体实施例中，工作在ε≈0模式的超窄金属波导弯曲成U型，金属波导分为三个波导段，形成两个Rabi互作用区11、12和一段漂移区10。在抽运激光6作用下完成态制备的原子束5首先在长为l₁的第一个互作用区11内受到共振微波激励，然后进入长为l₀的自由空间漂移区10，最后飞行经过长为l₂的第二个微波-原子互作用区12，完成空间分离的原子磁共振微波激励。所述磁共振经探测激光7检出，得到Ramsey干涉信号。所述干涉信号的线宽取决于原子在漂移长度为l₀的无微波场区域的渡跃时间。因ε≈0现象导致所述超窄波导内微波具有极大相速，微波在超窄通道内隧穿引起的相移极小，故该磁共振装置可显著缓解与两微波-原子互作用区11、12之间相位差有关的Ramsey信号恶化。本实施例ε≈0微波激励原子Ramsey磁共振装置中，互作用区11、12和漂移区10的长度l₁、l₂和l₀均可独立调节。前述调节过程中，磁共振装置的工作频率将保持不变。前述特征为优化磁共振信号、提升核磁矩精确测定能力和原子钟跃迁信号品质因数创造了条件。

基于前述实施例，可以得出，本发明的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，将超材料概念引入到微波激励原子精密谱中，其优势在于：(1)突破了波长限制，在保持装置工作频率不变情况下理论上可允许微波磁场均匀区长度和路径任意可调，有益于高性能原子钟实现、核磁矩精确测定和微波磁场精密测量；(2)微波-原子互作用区相位恒定，显著降低多振荡场工作时相移对干涉信号的影响。(3)全金属结构，适用于真空环境中微波和无碰撞原子的相互作用研究，以及空气环境中微波和气室体系原子的相互作用研究；(4)体积小，结构紧凑，便于集成。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，其特征在于，包括：

根据原子样品的跃迁频率制备金属波导；所述原子样品部分或全部位于所述金属波导中，包含所述原子样品的所述金属波导的工作模式为近截止模式 ，所述近截止模式 对应的近截止频率为隧穿频率，所述隧穿频率等于所述原子样品的跃迁频率；

采用微波耦合器向所述金属波导馈入微波信号，在包含所述原子样品的所述金属波导中激励起工作模式为近截止模式 的微波场，微波以隧穿形式穿过波导通道；包含所述原子样品的所述金属波导的通道内部有效介电常数约为零；

对所述原子样品进行原子态的制备，得到态制备后的原子样品；所述态制备后的原子样品在所述波导通道中受到所述微波场激励发生磁共振。

2.根据权利要求1所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，其特征在于，所述根据原子样品的跃迁频率制备金属波导，具体包括：

利用公式w＝c/(2f_a)计算所述金属波导的初始宽度w；式中c为所述金属波导中的光速，f_a为所述原子样品的跃迁频率；所述金属波导的截面为矩形，矩形截面金属波导的截止模式为TE₁₀模；

根据所述原子样品的形状和尺寸确定所述金属波导的高度h和纵向长度l；

按照所述初始宽度w、高度h和纵向长度l制备初始金属波导；

调节所述初始金属波导的初始宽度w，使包含所述原子样品的所述初始金属波导的工作频率为原子跃迁频率，得到制备好的金属波导。

3.根据权利要求1所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，其特征在于，所述原子样品位于所述金属波导内部的均匀微波磁场区域；采用抽运激光对所述原子样品进行原子态的制备。

4.根据权利要求1所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，其特征在于，所述态制备后的原子样品在所述波导通道中受到所述微波场激励发生磁共振之后，还包括：

采用探测激光对所述发生磁共振的原子进行检测，得到磁共振信号。

5.根据权利要求4所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法，其特征在于，所述采用探测激光对所述发生磁共振的原子进行检测，得到磁共振信号，之后还包括：

调节所述金属波导的高度h和纵向长度l，对所述磁共振信号进行优化；优化后的磁共振信号用于核磁矩测定、原子钟频率参考或微波磁场精密测量；

所述有效介电常数近零微波激励原子磁共振方法用于构建Rabi互作用距离可调的单振荡场原子精密谱探测装置，或者构建由多个有效介电常数近零Rabi互作用结构组成的Ramsey型磁共振精密谱装置；所述单振荡场原子精密谱探测装置或所述Ramsey型磁共振精密谱装置用于核磁矩测定、原子钟频率参考或微波磁场精密测量。

6.一种有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，其特征在于，包括：原子样品、金属波导、第一微波耦合器和第二微波耦合器；

所述金属波导工作在近截止模式，所述金属波导的截止频率近似为所述原子样品的跃迁频率；所述金属波导为超窄矩形截面金属波导；

所述第一微波耦合器位于所述金属波导的第一端，所述第一微波耦合器用于将微波信号馈入所述金属波导的波导通道；所述第二微波耦合器位于所述金属波导的第二端，所述第二微波耦合器用于将微波信号馈入所述金属波导的波导通道或将所述金属波导的波导通道中的微波信号引出；

所述原子样品部分或全部位于所述金属波导内部的均匀微波磁场区域。

7.根据权利要求6所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，其特征在于，还包括：第一截止波导、第二截止波导、第一过渡波导和第二过渡波导；

所述第一过渡波导和所述第二过渡波导均与所述金属波导的材料、宽度和高度相同，且所述第一过渡波导和所述第二过渡波导的长度和路径均可调节；

所述第一微波耦合器通过所述第一过渡波导与所述金属波导的第一端连接，所述第二微波耦合器通过所述第二过渡波导与所述金属波导的第二端连接。

8.根据权利要求6所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，其特征在于，还包括：抽运激光和探测激光；所述抽运激光用于对原子样品进行原子态的制备，态制备后的原子在所述均匀微波磁场激励下发生磁共振；所述态制备后的原子在所述均匀微波磁场激励下发生的磁共振采用所述探测激光进行检测，得到磁共振信号。

9.根据权利要求7所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，其特征在于，所述原子样品为依次飞行穿过所述第一截止波导、所述金属波导通道和所述第二截止波导的原子束或原子团；或者所述原子样品为完全或部分置于所述金属波导中的玻璃封装原子气室样品。

10.根据权利要求7所述的有效介电常数近零微波激励原子磁共振装置，其特征在于，所述金属波导与所述第一微波耦合器以及所述第二微波耦合器之间阻抗匹配，所述第一微波耦合器以及所述第二微波耦合器与50欧姆或75欧姆阻抗的微波同轴线缆之间阻抗匹配。

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