CN113067642A - 可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光光谱领域和量子光学领域，具体是一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。装置中，探测光源发出的探测光经第一双色镜后入射到原子气室，耦合光源发出的耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声后，经第二双色镜后与探测光反向重合入射至原子气室；经原子气室透射后的探测光经第二双色镜后入射到探测器，探测器进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪；频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。本发明通过激光系统的相位噪声调制，可以在MHz分析频段获得里德堡光谱，提高了里德堡原子光谱的信噪比，可避免低频噪声的干扰，允许利用压缩光等量子光源实现电磁场的量子增强测量。

Description

可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法
技术领域
本发明涉及激光光谱领域和量子光学领域，具体是一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。
背景技术
基于里德堡原子的原子天线利用激光调控原子偶极矩，其电磁场测量理论极限灵敏度比现有大型雷达高5-6个数量级，测量电磁波频率覆盖MHz-THz，且可以溯源至绝对频率标准，兼具高灵敏、高速度、多频点的特性，非常有潜力取代下一代雷达或者卫星的天线系统。
里德堡原子通过阶梯型能级结构实现EIT或者AT光谱，通过光谱分裂等特性实现微波传感。利用高频激光制备和测量原子量子态，典型的碱金属原子光跃迁频率在1018Hz尺度，大的能量差能有效抑制环境热辐射导致的原子布居，降低布居数起伏噪声。光源在激发原子过程中，存在强度噪声和相位噪声。光源的强度噪声可以利用关联和平均的光谱技术来抑制。对于阶梯型的里德堡能级结构，例如852+509或者780+480，理论上激光相位噪声可以通过超稳腔锁相抑制，实际中，考虑激光的线宽和锁频带宽等因素，激光相位锁定并不容易实现。超稳腔锁相方案从源头上抑制了激光的相位起伏，实际中激光传输过程中，光学元器件以及环境耦合导致的纳米尺度形变会再次引入相位噪声。这些相位噪声都会带入整个测量环路，通过原子色散转化为强度起伏，影响光谱测量。EIT光谱色散特性可以实现相位噪声向强度噪声的转化，该物理机制可以实现新型里德堡光谱，进一步拓展里德堡光谱在高精度原子传感中的应用。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。通过调控激光相位噪声，实现相位噪声-振幅信号转化增强，获得信噪比更高的里德堡原子光谱，实现微波测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，包括探测光源、耦合光源、电光相位调制器、第一双色镜、第二双色镜、原子气室、探测器和频谱分析仪；
所述探测光源发出的探测光经第一双色镜后入射到原子气室，所述耦合光源发出的耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声，经所述第二双色镜后与探测光反向重合入射至所述原子气室；经原子气室透射后的探测光经第二双色镜后入射到探测器，所述探测器进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪；
所述频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
电光相位调制器对耦合光进行相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。
所述原子气室内为铯原子，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
共振跃迁线，所述耦合光频率在
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
共振跃迁线扫描。
所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。
所述第一双色镜、第二双色镜均对耦合光反射，探测光透射。
进一步地，本发明还提供了一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，包括以下步骤：
S1、使探测光入射至原子气室，耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声后，与所述探测光反向重合入射至原子气室；所述探测光频率与耦合光频率满足阶梯型电磁感应透明光谱条件；
S2、使探测光锁定，耦合光频率扫描；
S3、通过探测器接收探测光进行光电转化，并将输出电信号发送至频率分析仪；
S4、通过频率分析仪在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
所述相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。
所述原子气室内为铯原子，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于
Figure 758923DEST_PATH_IMAGE002
共振跃迁线，所述耦合光频率在
Figure 676063DEST_PATH_IMAGE004
共振跃迁线扫描。
所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明提供了一种可测量微波的相位噪声光谱产生装置和方法，简化了光路结构，增强系统稳定性，光路允许集成和封装，实现移动和携带，有良好应用前景。
（2）本发明允许在不同分析频率处实现里德堡原子光谱，在MHz分析频率处的相位噪声谱，背景噪声接近散粒噪声，允许量子增强技术的使用，进一步提高光谱测量。
（3）发明的里德堡原子相位噪声光谱，可直接应用于微波测量，为电磁场传感和量子通讯等研究领域提供了一种新型光谱装置。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置的结构示意图；
图2为本发明原子能级结构图
图3为里德堡原子电磁诱导透明光谱；
图4为本发明实施例获得的里德堡原子相位噪声光谱；
图5为本发明实施例中获得的微波耦合相位噪声分裂谱。
图中：1为第一激光器，2为双色镜，3为原子气室，4为双色镜，5为光电探测器，6为频谱分析仪，7为电光相位调制器，8为第二激光器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，包括第一激光器1、第二激光器8、电光相位调制器7、第一双色镜2、第二双色镜4、原子气室3、探测器5和频谱分析仪6；所述第一激光器1发出的探测光经第一双色镜2后入射到原子气室3，所述第二激光器8发出的耦合光经电光相位调制器7进行相位调制增加相位噪声，经所述第二双色镜4后与探测光反向重合入射至所述原子气室3；经原子气室3透射后的探测光经第二双色镜4后入射到探测器5，所述探测器5进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪6；所述频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
具体地，本实施例中，原子气室内设置的为铯原子，第一激光器1、第二激光器8均为外腔半导体激光器，输出波长分别为852 nm和510 nm。利用二分之一波片、四分之一波片、偏振分束棱镜的组合，对激光偏振和功率调节，典型的偏振分束棱镜的消光比为30 dB。具体地，本实施例中，所述第一双色镜2、第二双色镜4均对耦合光反射，探测光透射。
852 nm探测光频率锁定于
Figure DEST_PATH_IMAGE005
共振跃迁线，510nm的耦合光频率在
Figure DEST_PATH_IMAGE006
共振跃迁线附近扫描，如图2所示，为铯原子的能级结构图。本实施例中，所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。
本实施例中，852nm的探测光功率约10 μW，510nm激光功率约150 mW，耦合光和探测光反向传输，在原子气室重合。852nm激光穿过第一双色镜2后进入原子气室3，出射光穿过双色镜4进入探测器5，探测器输出信号进入频谱分析仪6分析信号。510nm耦合光8通过EOM(7)进行相位调制增加相位噪声，调制后激光经双色镜4反射进入原子气室3，激光穿过原子气室后经双色镜2反射，与852nm探测光分离。实验中选用43D5/2里德堡态，选择
Figure DEST_PATH_IMAGE007
能级结构，实现阶梯型电磁感应透明光谱，如图3所示。510nm耦合光频率在对应的跃迁频率附近连续扫描，扫描频率满足中间态
Figure DEST_PATH_IMAGE009
超精细态到43D5/2频率分裂，可以获得3个电磁透明信号，如图3所示，其中，横轴表示510nm耦合光的频率失谐，纵坐标表示光谱信号的强度。
如图4所示，最下面曲线为电磁透明信号（EIT），中间信号为无相位调制的相位噪声谱（PNS），最上面信号为有相位调制的相位噪声谱（PNS with phase modulation），其对应的相位调制的频率为1MHz，相位调制幅度为5%。图4中，横轴表示510nm耦合光的频率失谐，纵坐标表示光谱信号的强度。从图中可以看出，通过对耦合光进行相位调制，本发明大大了增加里德堡原子光谱的信噪比。本发明实施例中，利用电磁诱导透明效应实现相位-幅度转化，将耦合光的相位噪声转化为探测光的振幅噪声，探测光携带这种噪声，进入探测器5进行光电转化探测，探测器输出电信号输入频谱分析仪6，可以得到里德堡原子的相位噪声光谱。由于频谱分析仪的分析频率可以任意选择，在相位调制频率附近，相位噪声较强，转化的相位噪声谱信号较强。因此，通过给耦合光加上高频率的相位噪声，可以转化为探测光的高频振幅噪声，最后在频谱分析仪上得到高分析频率（与相位调制的相位噪声的频率相当）下的相位噪声谱，可以避免低频噪声的干扰，允许在散粒噪声处实现量子增强光谱。
进一步地，本发明实施例中，电光相位调制器7对耦合光进行相位调制的频率为MHz量级，具体可以为1k-2MHz，相位调制幅度为3~8%。
进一步地，本发明提供的一种里德堡原子相位噪声光谱产生装置可以用于测量微波强度，实验中加入微波信号耦合
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，微波频率9.2GHz，场强
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。得到的原子微波耦合导致的谱线分裂约为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，如图5所示，其中，横轴表示510nm耦合光的频率失谐，纵坐标表示光谱信号的强度。因此，根据本发明得到的相位噪声光谱的谱线的分裂大小可以测量微波强度，实现基于里德堡原子光谱的微波测量，并且，其测量精度高，可以获得高分析频率处的相位噪声谱，避免低频噪声的干扰，允许在散粒噪声处实现量子增强光谱。
实施例二
本发明实施例二提供了一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，包括以下步骤：
S1、使探测光入射至原子气室，耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声后，与所述探测光反向重合入射至原子气室；所述探测光频率与耦合光频率满足阶梯型电磁感应透明光谱条件；
S2、使探测光锁定，耦合光频率扫描；
S3、通过探测器5接收探测光进行光电转化，并将输出电信号发送至频谱分析仪6；
S4、通过频谱分析仪6在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
7、根据权利要求6所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，其特征在于，所述相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。
具体地，本实施例中，所述原子气室3内可以为碱金属原子，具体地，以铯原子为例，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于
Figure DEST_PATH_IMAGE016
共振跃迁线，所述耦合光频率在
Figure DEST_PATH_IMAGE017
共振跃迁线扫描。所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。进一步地，所述原子气室3内也可以为其他碱金属原子。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，包括探测光源、耦合光源、电光相位调制器（7）、第一双色镜（2）、第二双色镜（4）、原子气室（3）、探测器（5）和频谱分析仪（6）；
所述探测光源发出的探测光经第一双色镜（2）后入射到原子气室（3），所述耦合光源发出的耦合光经电光相位调制器（7）进行相位调制增加相位噪声，经所述第二双色镜（4）后与探测光反向重合入射至所述原子气室（3）；经原子气室（3）透射后的探测光经第二双色镜（4）后入射到探测器（5），所述探测器（5）进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪（6）；
所述频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
2.根据权利要求1所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，电光相位调制器（7）对耦合光进行相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。
3.根据权利要求1所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，所述原子气室（3）内为铯原子，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于
Figure DEST_PATH_IMAGE002
共振跃迁线，所述耦合光频率在
Figure DEST_PATH_IMAGE004
共振跃迁线扫描。
4.根据权利要求3所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。
5.根据权利要求1所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，所述第一双色镜（2）、第二双色镜（4）均对耦合光反射，探测光透射。
6.一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使探测光入射至原子气室（3），耦合光经电光相位调制器（7）进行相位调制增加相位噪声后，与所述探测光反向重合入射至原子气室（3）；所述探测光频率与耦合光频率满足阶梯型电磁感应透明光谱条件；
S2、使探测光锁定，耦合光频率扫描；
S3、通过探测器（5）接收探测光进行光电转化，并将输出电信号发送至频率分析仪（6）；
S4、通过频率分析仪（6）在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。
7.根据权利要求6所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，其特征在于，所述相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。
8.根据权利要求6所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，其特征在于，所述原子气室（3）内为铯原子，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于
Figure 621267DEST_PATH_IMAGE002
共振跃迁线，所述耦合光频率在
Figure 954159DEST_PATH_IMAGE004
共振跃迁线扫描。
9.根据权利要求6所述的一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，其特征在于，所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。
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