CN112098736B - 一种微波电场相位的测量方法 - Google Patents

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本发明提供一种微波电场相位的测量方法，将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置，然后利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，进而可以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，本发明的测量方法是基于量子超外差原理，利用里德堡原子作为微波敏感介质，实现对微波电场相位的高灵敏度测量，该方法不仅能显著提高对微波电场相位的测量灵敏度，原理清晰、结构简单、易于实现与应用，突破了现有的指标，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场相位的精密测量研究提供新技术基础。

Description

一种微波电场相位的测量方法
技术领域
本发明涉及微波电场相位测量领域，更具体的，涉及一种微波电场相位的测量方法。
背景技术
微波电场相位的准确测量在天文、通信、雷达等领域扮演着重要的角色，但传统微波电场相位测量误差较大，约为±5％。
近几年来，随着量子技术的发展，国际上开始尝试使用量子技术实现对微波电场相位测量方法研究，其中基于量子EIT-AT效应的微波电场相位测量方案受限于探测光透明窗口的宽度，探测光窗口的宽度则受到激光线宽、光子散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素的影响，很难对极微弱的微波电场实现精密测量。
因此，目前亟需一种测量方法，以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明提供了一种微波电场相位的测量方法，将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置；利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位。
在某些实施方式中，根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，包括：
从所述检测信号中采集两个不同时刻对应的不同幅度的点，利用两个幅度的比值进而推算出本地微波电场与待测信号微波电场的相位差；根据所述相位差计算得到所述信号微波电场的相位。
在某些实施方式中，根据本地微波电场和待测的信号微波电场的频率生成所述设定频段或频率；或者，还包括：获取所述设定频段或频率。
在某些实施方式中，所述微波电场相位计算公式如下：
|E|＝E本地+E信号cos(Δωt+Δφ)
其中，E本地为本地微波电场幅度，E信号为信号微波电场幅度，Δω为本地微波与信号微波频差，Δφ为本地微波与信号微波相位差，本地微波电场与信号微波电场相位差恒定。
在某些实施方式中，所述探测光中的信号为频率等于本地微波电场与信号微波电场频率差的信号，典型频差为100kHz。
在某些实施方式中，利用耦合光和所述探测光激发设定原子，得到所述原子。
在某些实施方式中，所述原子为碱原子。
在某些实施方式中，所述原子为铷原子。
在某些实施方式中，所述探测光波长为780nm。
在某些实施方式中，所述耦合光波长为480nm。
本发明的有益效果：
本发明提供一种微波电场相位的测量方法，将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置，然后利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，进而可以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，本发明的测量方法是基于量子超外差原理，利用里德堡原子作为微波敏感介质，实现对微波电场相位的高灵敏度测量，该方法不仅能显著提高对微波电场相位的测量灵敏度，原理清晰、结构简单、易于实现与应用，突破了现有的指标，将微波电场相位测量准确度提高到了0.5％量级，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场相位的精密测量研究提供新技术基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施方式中微波电场相位的测量方法示意图；
图2示出本发明实施方式中微波电场相位的测量装置示意图。
图2的附图标记，1、探测光激光器；2、第一1/2波片；3、第一激光隔离器；4、第二1/2波片；5、第一偏振分束棱镜；6、第一反射镜；7、第三1/2波片；8、碱原子气室；9、本地微波模块；10、信号微波模块；11、二向色镜；12、第四1/2波片；13、第二偏振分束棱镜；14、第二反射镜；15、平衡零拍探测器；16、第三偏振分束棱镜；17、第五1/2波片；18、第二激光隔离器；19、第六1/2波片；20、耦合光激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种微波电场相位的测量方法，包括以下步骤：
S11：将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置；
S12：利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位。
根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，包括：从所述检测信号中采集两个不同时刻对应的不同幅度的点，利用两个幅度的比值进而推算出本地微波电场与待测信号微波电场的相位差；最后根据所述相位差计算得到所述信号微波电场的相位。
本发明提供一种微波电场相位的测量方法，将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置，然后利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，进而可以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，本发明的测量方法是基于量子超外差原理，利用里德堡原子作为微波敏感介质，实现对微波电场相位的高灵敏度测量，该方法不仅能显著提高对微波电场相位的测量灵敏度，原理清晰、结构简单、易于实现与应用，突破了现有的指标，将微波电场相位测量准确度提高到了0.5％量级，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场相位的精密测量研究提供新技术基础。
本领域技术人员明了，所述里德堡态原子指原子的一种状态，在该状态下，原子中的一个电子被激发到主量子数较高的与离子实相比尺寸很大的轨道上，本发明利用这种状态对于微波电场影响极端敏感，具有极端的反应能力，很容易与微波辐射发生作用。
在一些实施方式中，本发明可以采用已预先设置好的里德堡态原子，也可以通过激发将原子气室的原子激发至里德堡态，在此不做限制。
可以理解，里德堡态需要两个光束通过双光子激发形成，该两个光束可以包括探测光，也可以为独立的两个光束。
优选地，耦合光与探测光耦合光通过双光子激发将原子气室内的原子激发至里德堡态。
优选地，所述原子气室中的原子为铷原子。
进一步地，所述微波电场相位计算公式如下：
|E|＝E本地+E信号cos(Δωt+Δφ)
其中，E本地为本地微波电场幅度，E信号为信号微波电场幅度，Δω为本地微波与信号微波频差，Δφ为本地微波与信号微波相位差。
进一步的，本地微波电场与信号微波电场相位差恒定。
在一些实施方式中，本发明所述探测光中的信号为频率等于本地微波电场与信号微波电场频率差的信号，本发明可以根据本地微波电场和待测的信号微波电场的频率生成所述设定频段或频率；或者，还包括：获取所述设定频段或频率，在次不做限制。
优选地，所述探测光中的信号频率为100kHz。
进一步的，利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位。
优选的，所述探测器为平衡零拍探测器，所述平衡零拍探测器产生的探测光经过经分束器分成两束，其中一束进入平衡零拍探测器，其中另一束通过第二反射镜反射后进入平衡零拍探测器，实现对微波电场相位的灵敏度的测量。
下面结合图2对本发明中微波电场相位的测量方法进行详细说明。
如图2所示，一种微波电场相位的测量装置，探测光激光器1发射的线偏振光经过第一半波片2和第一激光隔离器3，确保探测光激光器1工作模式不受后续光路反馈影响；探测光经过第二半波片4和第一偏振分束棱镜5用于调节探测光光强；探测光经过第一反射镜6反射后，经过第三半波片7进入碱原子气室8；
耦合光激光器20发射的线偏振探测光经过第六半波片19和第二激光隔离器18，确保耦合光激光器20工作模式不受后续光路反馈影响；耦合光经过第五半波片17和第三偏振分束棱镜16用于调节探测光光强；耦合光经过二向色镜11反射后进入碱原子气室8，所述耦合光与探测光通过双光子激发将碱原子气室8内的原子激发至里德堡态；
本地微波模块9用于在所述碱原子气室8产生本地微波电场，信号微波模块用于在所述碱原子气室8产生信号微波电场，信号微波电场耦合近共振于原子能级，本地微波电场与信号微波电场相位差恒定；
探测光通过二向色镜11后，经过第四半波片12和第二偏振分束棱镜13分成两束，一束直接进入平衡零拍探测器15，另外一束通过第二反射镜14反射后进入平衡零拍探测器15，最终实现对微波电场相位的高灵敏度测量。
本领域技术人员明了，半波片用于对线偏振来光进行旋转，因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。本发明中，探测光光路和耦合光光路上半波片可以设为两个、三个或一个，本发明不作限制。
可以理解，所述探测光激光器和耦合光激光器发射的均为线偏振光。
本领域技术人员明了，所述线偏振光在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，光矢量端点的轨迹为一直线。光矢量的方向和光的传播方向构成平面，线偏振光的振动面固定不动，不会发生旋转。
在本发明具体实施方式中，所述平衡零拍探测器用以减去量子噪声，具有噪声低和灵敏度高的特效，能够有效探测电场相位。
优选地，所述探测光激光器1产生的探测光波长为780nm，并利用超稳腔稳频法实现探测光激光频率的稳定和激光线宽的压窄。
优选地，所述耦合光激光器20产生的耦合光波长为480nm，并利用超稳腔稳频法实现耦合光激光频率的稳定和激光线宽的压窄。
优选地，本地微波电场与信号微波电场相位差恒定。
从上述实施方式可以看出，本发明提供一种微波电场相位的测量方法，将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置，然后利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，进而可以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，本发明的测量方法是基于量子超外差原理，利用里德堡原子作为微波敏感介质，实现对微波电场相位的高灵敏度测量，该方法不仅能显著提高对微波电场相位的测量灵敏度，原理清晰、结构简单、易于实现与应用，突破了现有的指标，将微波电场相位测量准确度提高到了0.5％量级，实现了将微波电场测量精度提高一个数量级的目的，从而为微波电场相位的精密测量研究提供新技术基础。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种微波电场相位的测量方法，其特征在于，包括：
将处于里德堡态的原子设于可感应本地微波电场和待测的信号微波电场的位置；
利用探测器接收探测光照射所述原子后的设定频段或频率的检测信号，以根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位；
所述探测器为平衡零拍探测器，所述平衡零拍探测器产生的探测光经过经分束器分成两束，其中一束进入平衡零拍探测器，其中另一束通过第二反射镜反射后进入平衡零拍探测器；
根据所述检测信号确定所述信号微波电场的相位，包括：
从所述检测信号中采集两个不同时刻对应的不同幅度的点，利用两个幅度的比值进而推算出本地微波电场与待测信号微波电场的相位差；
根据所述相位差计算得到所述信号微波电场的相位。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
根据本地微波电场和待测的信号微波电场的频率生成所述设定频段或频率；或者，还包括：获取所述设定频段或频率。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述微波电场相位计算公式如下：
|E|＝E本地+E信号cos(Δωt+Δφ)
其中，E本地为本地微波电场幅度，E信号为信号微波电场幅度，Δω为本地微波与信号微波频差，Δφ为本地微波与信号微波相位差，本地微波电场与信号微波电场相位差恒定。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
所述探测光中的信号为频率等于本地微波电场与信号微波电场频率差的信号，典型频差为100kHz。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
利用耦合光和所述探测光激发设定原子，得到所述原子。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述原子为碱原子。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述原子为铷原子。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述探测光波长为780nm。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述耦合光波长为480nm。
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