CN112824930B - 一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，包括原子气室(1)、第一激光器(2)、第二激光器(3)、第一微波源(8)。所述原子气室(1)为装有碱金属原子蒸汽的玻璃泡。对所述的原子气室(1)内的里德堡原子的调控，形成6能级系统，从而实现对入射原子气室(1)的转换微波和转换激光的耦合，形成量子态微波和量子态激光之间的耦合接口。本发明可以实现微波和激光之间的宽带高效双向相干转换，且不需要谐振腔、微纳器件或超低温制冷，具有装置简洁、易于集成的优点，适于在雷达、通信等领域广泛推广。

Description

一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置
技术领域
本发明涉及量子雷达领域，特别涉及一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置。
背景技术
本发明所涉及的量子雷达，是一种使用携带有量子态信息的微波或激光照射目标、并利用量子态微波或激光与目标相互作用后所携带的量子信息，获取目标信息的探测系统。该系统使用量子光源或量子微波源发出量子态激光或微波，并通过具有保持量子信息功能的调制发射系统，照射到目标上；具有保持量子信息功能的接收探测系统，检测到目标反射的量子态回波信号；通过分析该回波信号，可以得出目标信息。其中，微波量子雷达具有穿透性强、可全天候工作的优点，但量子微波源、量子微波探测器制备较为困难且需超低温环境下工作，系统庞大复杂；激光量子雷达具有量子光源及量子探测器技术较为成熟、工作可靠性较高的优点，但穿透性差、在恶劣环境下无法有效工作的不足；上述因素限制了量子雷达的系统实现和工程应用。为充分发挥微波量子雷达和激光量子雷达优势，需研制微波激光双向相干转换装置，为实现高灵敏度、可全天时全天候工作的量子雷达提供技术保障，目前还未见相关技术的研究。
发明内容
本发明需解决技术问题是提供一种微波激光双向相干转换装置。
为解决上述技术难题，本发明提供了一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，采取技术方案如下：
所述基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，包括原子气室、第一激光器、第二激光器、第一微波源；
所述原子气室为装有碱金属原子蒸汽的玻璃泡；
所述第一激光器输出的探测激光、第二激光器输出的耦合激光、第一微波源输出的耦合微波入射进原子气室；
对原子气室中碱金属原子蒸汽的密度、第一微波源输出的频率、第一激光器和第二激光器输出的探测光、耦合光的频率进行调节，实现对所述的原子气室内的里德堡原子的调控，形成6能级系统，从而实现对入射原子气室的转换微波和转换激光的耦合，形成量子态微波和量子态激光之间的耦合接口。
进一步地，对所述的原子气室内里德堡原子的能级进行调控，形成6能级系统，具体如下：
能级|3>、能级|4>、能级|5>为里德堡能级，转换微波与能级|3>和能级|4>耦合，耦合微波与能级|4>和能级|5>耦合，探测激光和耦合激光在能级|1>、能级|2>和能级|3>能级跃迁过程中产生相干性，耦合激光和耦合微波链接了微波跃迁和激光跃迁过程，转换激光与能级|1>和能级|6>耦合。
进一步地，所述的第一激光器输出的探测激光，其频率锁定在能级|1>和能级|2>的共振跃迁线上；第二激光器输出的耦合激光，其频率锁定在能级|2>和能级|3>的共振跃迁线上；所述的第二激光器输出的耦合激光耦合能级|2>和能级|3>的拉比频率ΩR，和所述的第一激光器输出的探测激光耦合能级|1>和能级|2>的拉比频率ΩP，满足关系：|ΩR|>>|ΩP|；所述的原子气室中能级|4>变化引起的失谐量Δ4，原子气室1中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，和所述第一微波源输出的耦合微波耦合能级|4>和能级|5>的拉比频率ΩC，满足关系Δ5＝|ΩC|2/Δ4；所述的原子气室中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，原子气室中能级|6>变化引起的失谐量Δ6，和所述第二激光器输出的耦合激光耦合能级|5>和能级|6>的拉比频率ΩA，满足关系Δ6＝|ΩA|2/Δ5；转换微波带宽远小于能级|4>、|5>、|6>变化引起的失谐量Δ4、Δ5、Δ6；所述的转换微波频率范围为300MHz-300GHz；所述的第一微波源输出的辅助微波频率范围为300MHz-300GHz，且与所述的转换微波频率具有一定频差。
进一步地，还包括第一二向色镜、第一透镜组、第二二向色镜、第二透镜组，第一激光器输出探测激光，经第一二向色镜透射后由第一透镜组进行整形，入射进原子气室一端；第二激光器输出耦合激光，经第二二向色镜透射后由第二透镜组整形，入射进原子气室另一端。所述第一二向色镜端面与探测激光传输方向成45度夹角，用于将耦合激光和探测激光分离。
进一步地，还包括光转换激光分离器，转换激光经光转换激光分离器入射至第二二向色镜端面，将光线反射后由第二透镜组整形，入射进原子气室。所述第二二向色镜端面与耦合激光传输方向成45度夹角，用于将探测激光和原子气室形成的转换激光反射至转换激光分离器，转换激光分离器将探测激光滤除并输出转换激光。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置。该装置通过对原子气室内里德堡原子的能级进行调控，能够同时耦合转换微波和转换激光，实现微波和激光之间的宽带高效双向相干转换，形成量子态微波和量子态激光之间的耦合接口。本发明不需要谐振腔、微纳器件或超低温制冷，具有装置简洁、易于集成的优点。利用本发明装置可以设计微波照射、激光检测处理的量子雷达系统，实现高灵敏度、可全天时全天候工作的量子雷达，得到优于传统雷达的探测性能。本发明也可在远距离自由空间通信、低辐射剂量医学检测等领域广泛推广。
附图说明
图1为本发明实施例的基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置结构示意图；
图2为本发明实施例的里德堡原子6能级系统与微波和激光耦合示意图；
图3为本发明实施例的里德堡原子转换激光随探测激光频率调谐变化示意图；
图4为本发明实施例的里德堡原子转换激光与探测激光相干探测信号频谱示意图；
图5为本发明实施例的微波的相位调制信号，与里德堡原子将微波转换为激光并读出的调制信号比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，实施例中，基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置包括原子气室1、第一激光器2、第二激光器3、第一二向色镜4、第二二向色镜5、第一透镜组6、第二透镜组7、第一微波源8、转换激光分离器10。
其中，原子气室1装有碱金属原子蒸汽的玻璃泡。第一激光器2输出探测激光，经第一二向色镜4透射后由第一透镜组6进行整形，并从原子气室1的一端入射；第二激光器3输出耦合激光，经第二二向色镜5透射后由第二透镜组7整形，并从原子气室1的另一端入射。探测激光和耦合激光在原子气室1内的光路相对重叠。第一微波源8输出的耦合微波和第二微波源9输出的转换微波发射至原子气室1。第一二向色镜4端面与探测激光传输方向成45度夹角，用于将耦合激光和探测激光分离。第三激光器11输出转换激光经光转换激光分离器10入射至第二二向色镜5端面，将光线反射后由第二透镜组7整形，入射进原子气室1。通过对原子气室1内里德堡原子的能级进行调控，形成6能级系统，能够同时耦合转换微波和转换激光，形成量子态微波和量子态激光之间的耦合接口。
第二二向色镜5端面与耦合激光传输方向成45度夹角，用于将探测激光和原子气室1形成的转换激光反射至转换激光分离器10，转换激光分离器10将探测激光滤除并输出转换激光。
对所述的原子气室1内里德堡原子的能级进行调控，形成6能级系统，具体如下：
如图2所示，能级|3>、能级|4>、能级|5>为里德堡能级，转换微波与能级|3>和能级|4>耦合，耦合微波与能级|4>和能级|5>耦合；探测激光和耦合激光在能级|1>、能级|2>和能级|3>能级跃迁过程中产生相干性，耦合激光和耦合微波链接了微波跃迁和激光跃迁过程，转换激光与能级|1>和能级|6>耦合。
所述的第一激光器2输出的探测激光，其频率锁定在能级|1>和能级|2>的共振跃迁线上。第二激光器3输出的耦合激光，其频率锁定在能级|2>和能级|3>的共振跃迁线上。所述的第二激光器3输出的耦合激光耦合能级|2>和能级|3>的拉比频率ΩR，和所述的第一激光器2输出的探测激光耦合能级|1>和能级|2>的拉比频率ΩP，满足关系：|ΩR|>>|ΩP|。所述的原子气室1中能级|4>变化引起的失谐量Δ4，原子气室1中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，和所述第一微波源8输出的耦合微波耦合能级|4>和能级|5>的拉比频率ΩC，满足关系Δ5＝|ΩC|2/Δ4。所述的原子气室1中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，原子气室1中能级|6>变化引起的失谐量Δ6，和所述第二激光器3输出的耦合激光耦合能级|5>和能级|6>的拉比频率ΩA，满足关系Δ6＝|ΩA|2/Δ5。所述的第二微波源9输出的转换微波，频率耦合相邻的两个里德堡能级|3>和|4>，第三激光器11输出的转换激光，频率耦合相邻的两个能级|1>和|6>，使转换微波和转换激光产生量子干涉。所述的原子气室1内充有碱金属原子气体，且处于绝热状态。所述的第二微波源9输出的转换微波带宽远小于能级|4>、|5>、|6>变化引起的失谐量Δ4、Δ5、Δ6。所述的第二微波源9输出的转换微波频率范围为300MHz-300GHz；所述的第一微波源8输出的辅助微波频率范围为300MHz-300GHz，且与所述的第二微波源9输出的转换微波频率具有一定频差，通常为30MHz－500MHz的频差。
当里德堡原子与微波和激光参量满足上述关系时，对原子气室中碱金属原子蒸汽的密度、第一微波源8输出的频率、第一激光器2和第二激光器3输出的探测光、耦合光的频率进行调节，从而实现对所述的原子气室1内的里德堡原子的调控，形成6能级系统，量子干涉过程发生，转换微波在能级|3>和能级|4>的跃迁中产生相干性，转换激光在能级|1>和能级|6>的跃迁中产生相干性，转换激光和转换微波建立耦合关系。
如图3所示，给出了里德堡原子转换激光随探测激光频率调谐变化示意图，以原子气室1中|1>能级和|2>能级间的共振频率为中心，对第一激光器2输出的探测激光频率进行调节，同时测量透过原子气室1的探测激光功率，和原子气室1中经六波混频后输出的转换激光功率，第二激光器3输出的耦合激光、第一微波源8输出的耦合微波和第二微波源9输出的转换微波与原子气室1中的里德堡原子保持共振状态。透射的探测激光功率谱如图中方框所示，呈现双峰结构；六波混频后输出的转换激光功率谱如图中圆框所示，呈现单个尖峰结构；图中实线为理论仿真曲线；说明了微波与激光之间发生了能量转换。
如图4所示，给出了里德堡原子转换激光与探测激光相干探测信号频谱示意图，对第一激光器2输出的探测激光进行调制，形成脉宽为500μs移频为10MHz的激光脉冲；将该激光脉冲与和原子气室1中经六波混频后输出的转换激光进行相干探测，图中圆圈为测量到的干涉信号，图中实线为根据实测信号拟合得到的曲线，符合|sinc|函数分布；得到的信号频谱说明转换激光频率决定于原子气室1中的六波混频过程的共振条件。
如图5所示，给出了微波的相位调制信号，与里德堡原子将微波转换为激光并读出的调制信号比较示意图，图中实线为对第二微波源9输出的转换微波进行幅度为π、频率为2.5KHz三角形相位调制曲线，图中虚线为对第二微波源9输出的转换微波先后进行幅度为2π、频率为5KHz的三角形相位调制曲线；图中方框和圆框分别为上述调制曲线的恢复信号；说明基于里德堡原子的微波激光转换过程可以有效保持相干特性。
与现有技术相比，本发明使用基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，通过对原子气室中碱金属原子蒸汽的密度、第一微波源输出的频率、第一激光器2和第二激光器3输出的探测光、耦合的频率进行调节，可以实现微波与激光的高效率转换。使用本发明基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，可以设计全新的微波照射、激光检测处理的量子雷达系统，实现高灵敏度探测，并可全天时全天候工作，得到优于传统雷达的探测性能。
本发明也可在远距离自由空间通信、低辐射剂量医学检测等领域广泛推广。本发明使用基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，不受模式选择性的限制，能够实现宽带时空复用微波信号和激光信号之间的转换。本发明使用基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，可以实现时间编码或轨道角动量编码的量子信息的转换。本发明使用基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，工作于原子间相互作用极弱的低激发区域，可以实现微波激光的低噪声相干转换。本发明使用基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，可以使用高效率的红外相机实现微波成像。
根据上述具体实施方式的介绍可知，本发明是一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，并通过理论仿真和试验验证，效果明显；使用本发明开展微波照射光学检测体制的高灵敏度探测成像试验，系统搭建紧凑，在实验室开展，可随时进行量子探测成像试验；通过设置不同的参数、调整各组件结构，本发明可开展大带宽、多频段的量子探测成像试验，为量子雷达探测成像试验提供技术支持，突破传统雷达在分辨率和信噪比方面的限制。

Claims (8)

1.一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：包括原子气室(1)、第一激光器(2)、第二激光器(3)、第一微波源(8)；
所述原子气室(1)为装有碱金属原子蒸汽的玻璃泡；
所述第一激光器(2)输出的探测激光、第二激光器(3)输出的耦合激光、第一微波源(8)输出的耦合微波入射进原子气室(1)；
对原子气室(1)中碱金属原子蒸汽的密度、第一微波源(8)输出的频率、第一激光器(2)和第二激光器(3)输出的探测光、耦合光的频率进行调节，实现对所述的原子气室(1)内的里德堡原子的调控，形成6能级系统，从而实现对入射原子气室(1)的转换微波和转换激光的耦合。
2.如权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：对所述的原子气室(1)内里德堡原子的能级进行调控，形成6能级系统，具体如下：
能级|3>、能级|4>、能级|5>为里德堡能级，转换微波与能级|3>和能级|4>耦合，耦合微波与能级|4>和能级|5>耦合，探测激光和耦合激光在能级|1>、能级|2>和能级|3>能级跃迁过程中产生相干性，耦合激光和耦合微波链接了微波跃迁和激光跃迁过程，转换激光与能级|1>和能级|6>耦合。
3.如权利要求2所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：
所述的第一激光器(2)输出的探测激光，其频率锁定在能级|1>和能级|2>的共振跃迁线上；第二激光器(3)输出的耦合激光，其频率锁定在能级|2>和能级|3>的共振跃迁线上；所述的第二激光器(3)输出的耦合激光耦合能级|2>和能级|3>的拉比频率ΩR，和所述的第一激光器(2)输出的探测激光耦合能级|1>和能级|2>的拉比频率ΩP，满足关系：|ΩR|>>|ΩP|；所述的原子气室(1)中能级|4>变化引起的失谐量Δ4，原子气室1中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，和所述第一微波源(8)输出的耦合微波耦合能级|4>和能级|5>的拉比频率ΩC，满足关系Δ5＝|ΩC|2/Δ4；所述的原子气室(1)中能级|5>变化引起的失谐量Δ5，原子气室(1)中能级|6>变化引起的失谐量Δ6，和所述第二激光器(3)输出的耦合激光耦合能级|5>和能级|6>的拉比频率ΩA，满足关系Δ6＝|ΩA|2/Δ5；转换微波带宽小于能级|4>、|5>、|6>变化引起的失谐量Δ4、Δ5、Δ6。
4.如权利要求3所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：所述的转换微波频率范围为300MHz-300GHz；所述的第一微波源(8)输出的辅助微波频率范围为300MHz-300GHz，且与所述的转换微波频率具有频差。
5.如权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：还包括第一二向色镜(4)、第一透镜组(6)、第二二向色镜(5)、第二透镜组(7)，第一激光器(2)输出探测激光，经第一二向色镜(4)透射后由第一透镜组(6)进行整形，入射进原子气室(1)一端；第二激光器(3)输出耦合激光，经第二二向色镜(5)透射后由第二透镜组(7)整形，入射进原子气室(1)另一端。
6.如权利要求5所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：所述第一二向色镜(4)端面与探测激光传输方向成45度夹角，用于将耦合激光和探测激光分离。
7.如权利要求5所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：还包括转换激光分离器(10)，转换激光经转换激光分离器(10)入射至第二二向色镜(5)端面，将光线反射后由第二透镜组(7)整形，入射进原子气室(1)。
8.如权利要求7所述的一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置，其特征在于：第二二向色镜(5)端面与耦合激光传输方向成45度夹角，用于将探测激光和原子气室(1)形成的转换激光反射至转换激光分离器(10)，转换激光分离器(10)将探测激光滤除并输出转换激光。
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