CN113376446B - 基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波电场传感器技术领域，具体涉及一种基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法，包括探测光、修饰光、耦合光三束光，三束光均入射并激发处于含铯玻璃泡中的原子到里德堡态；含铯玻璃泡外设有喇叭天线、微波频率梳、待测信号场，微波频率梳的微波频率梳信号和待测信号场的待测信号通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡上；还包括差分探测器，用于读取拍频信号；差分探测器与数据处理系统连接，数据处理系统分析拍频信号。本发明可以突破里德堡原子瞬时带宽对于可以实时测量的信号带宽限制，采用两组不同频率间隔的微波频率梳，实现对于微波信号的频率测量，避免了镜像频率的对确定频率的干扰。
Description
技术领域
本发明属于微波电场传感器技术领域，具体涉及一种基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法。
背景技术
现有的基于里德堡原子的实验方案中采用的外差探测方案，可以实时监测的信号受到原子电磁感应透明现象的弛豫时间限制，其可以实时探测的最大带宽为10MHz左右，基于微波频率梳的里德原子微波电场传感器允许突破电磁感应透明现象的弛豫时间限制，实现对于带宽10MHz以外范围内的信号的实时探测。而且现有的里德堡外差探测微波探测方法无法分辨镜像频率。
发明内容
本发明基于微波频率梳的里德堡原子射频传感器，通过多音调本振信号和待测信号经过里德堡原子混频，实现信号频率下变频，允许对于超出传统里德堡接收器瞬时带宽之外的信号实现实时探测。本发明通过两个频率梳与信号场拍频，来获取信号的频率，可以避免镜像频率对于频率探测的影响。
具体的技术方案为：
基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器，包括探测光、修饰光、耦合光三束光，三束光均入射并激发处于含铯玻璃泡中的原子到里德堡态；
含铯玻璃泡外设有喇叭天线、微波频率梳、待测信号场，微波频率梳的微波频率梳信号和待测信号场的待测信号通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡上；
还包括差分探测器，用于读取拍频信号；差分探测器与数据处理系统连接，数据处理系统分析拍频信号。
进一步的，还包括第一个二向色镜、第二个二向色镜、第三个二向色镜；所述的修饰光、耦合光通过第二个二向色镜合束，由第三个二向色镜反射进入含铯玻璃泡内；探测光经过双反镜分为两束光路，两束光路均透过第一个二向色镜，其中一束光路在含铯玻璃泡内与修饰光、耦合光反射的光路重合。
优选的，所述的探测光为852nm激光，修饰光为1470nm激光，耦合光为779nm激光。
所述的基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器的探测方法，包括以下步骤：
修饰光、耦合光通过第二个二向色镜合束，由第三个二向色镜反射进入含铯玻璃泡内；探测光经过双反镜分为两束光路，两束光路均透过第一个二向色镜，其中一束光路在含铯玻璃泡内与修饰光、耦合光反射的光路重合；然后微波频率梳和待测信号场通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡中的里德堡原子实现混频；
所述的微波频率梳，包括一系列具有固定相位和频率间隔一定的单音信号叠加；其第i个梳齿的频率表示为：
fi＝N·fr+f0
其中，N为频率梳梳齿数目，fr为重复频率，也就是梳齿的频率间隔，f0为偏置频率,也就是频率梳的起始频率；
拍频信号是通过差分探测器读取耦合光处于零失谐附近的探测光透射信号得到；通过数据处理系统分析该信号，得到拍频信号的幅度、频率、相位信息；
所述的拍频信号的幅度：
SBeat∝|ELO||ESIG|cos(Δω+Δφ)
此处ELO代表与信号发生拍频的最近邻频率梳梳齿分量，|ELO|是该频率梳梳齿分量的场强，ESIG代表待测信号场，|ESIG|是待测信号场场强，Δω是ELO与ESIG的频率差，Δφ是ELO与ESIG的相位差；通过单个微波频率梳就可以获得待测信号场的相位和幅度信息。
本发明提到的基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法，具有以下技术效果：
(1)本发明突破里德堡原子瞬时带宽对于可以实时测量的信号带宽限制。
(2)采用两组不同频率间隔的微波频率梳，实现对于微波信号的频率测量，避免了镜像频率的对确定频率的干扰。
(3)使用平衡探测的手段，减少激光噪声和光路抖动对于实验探测的影响。
(4)探究了微波频率梳相位和该原子射频传感器灵敏度的关系，选取适当的频率梳齿相位，例如，本发明中对于有3个梳齿的频率数，梳齿相位选取为0°，90°，0°，可以有效提高测量的灵敏度和线性动态范围。
本发明采用两套频率梳作为微波本振信号，实现对于微波频率的绝对测量。同时本发明允许对微波的振幅，相位，频率做测量，对于雷达，还有通信领域具有重要价值。因此本发明具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为实施例通过两频率梳子确定绝对频率的原理图；
图3为实施例实验中激光和原子耦合的能级图；
图4为实施例使用具有3个频率分量的频率梳测量微波的动态范围；
图5为实施例测量方法的频率分辨能力；
图6为实施例基于三个梳齿测量偏离中心频率50Hz的信号输入和输出的相位关系；
图7为实施例基于9个梳齿实现36MHz的信号测量范围。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，852nm激光作为探测光1，1470nm激光作为修饰光2，779nm激光作为耦合光3，三束光激发处于含铯玻璃泡4中的原子到里德堡态，最终实现四能级里德堡电磁感应透明。其中修饰光2、耦合光3通过第二个二向色镜8合束，由第三个二向色镜7反射进入含铯玻璃泡4内；探测光1经过双反镜9分为两束，透过第一个二向色镜6，其中一束探测光1在含铯玻璃泡4内与修饰光2、耦合光3重合。然后微波频率梳13的微波频率梳信号和待测信号场14的待测信号通过微波合路器12进入喇叭天线5加载到传感器的传感单元——含铯玻璃泡4上。
这里用到的微波频率梳13，如图2所示，是一由一系列具有固定相位和频率间隔一定的单音信号叠加而成。其第i个梳齿的频率可表示为：
fi＝N·fr+f0
其中N为频率梳梳齿数目，fr为重复频率，也就是梳齿的频率间隔，f0为偏置频率,也就是频率梳的起始频率。
微波频率梳13一方面作为本振信号，另一方面作用到原子上，使电磁感应透明光谱产生劈裂。待测信号场14和微波频率梳13通过含铯玻璃泡4中的里德堡原子实现混频，拍频信号是通过差分探测器10读取耦合光3处于零失谐附近的探测光1透射信号得到。通过数据处理系统11分析该信号，可以得到拍频信号的幅度，频率，相位等信息。
拍频信号的幅度：
SBeat∝|ELO||ESIG|cos(Δω+Δφ)
此处ELO代表与信号发生拍频的最近邻频率梳梳齿分量，|ELO|是其强度，ESIG代表待测信号场14，|ESIG|是待测信号场14场强，Δω是ELO与ESIG的频率差，Δφ是ELO与ESIG的相位差。由以上分析，通过单个微波频率梳就可以获得待测信号场14的相位和幅度信息。
如图2，通过两个具有相同起始频率f0，并且重复频率fr，f′r相差较小量(δf＝|fr-f′r|)的微波频率梳，可以得到信号的频率信息。通过数据处理系统(11)分别得到待测信号场14和两个微波频率梳13的拍频信号，只测量信号与最近邻的梳齿拍频，比如频率梳子间隔为300kHz，测量≤150kHz范围的信号，其频率分别表示为：f1，f2。信号频率：
f＝f0+N·fr±f1/±f2
这其中的N代表与信号最近的频率梳频率梳齿的级次，记起始频率对应的梳齿为0，后边的梳齿依次为1，2，3…。计算梳齿的级次N的原理是通过不同梳齿错开的大小不同反推级次，类似小数重合法。
图2展示的是两个频率梳和信号场的频域分布，他们的拍频用两个箭头表示，两个频率梳具有相同的起始频率，而他们的频率间隔有细微不同，通过梳齿错开的大小计算与信号拍频的频率梳梳齿级次。信号与两个频率梳产生拍频可以分为三种不同的情况。
1、信号与其左边的两个频率梳梳齿拍频；
2、与频率梳1位于信号右边的梳齿拍频，与频率梳2位于信号左边的梳齿拍频；
3、信号与其右边的两个频率梳梳齿拍频。
梳齿级次N计算的具体情况可以参考表格：
用fbeat，f′beat分别表示待测信号与频率梳子1,2产生的拍频信号。fr代表频率梳1的频率间隔。(假设频率梳1频率间隔小于频率梳2),Nsum为频率梳子1的梳齿个数。
如图3的能级图，其中的852nm激光耦合铯原子6S1/2F＝4→6P3/2F′＝5跃迁，1470nm激光耦合6P3/2F′＝5→7S1/2F″＝4的跃迁；
耦合光3波长调节为779.455nm,激发原子到n＝55的里德堡态；
待测信号场14和微波频率梳13的中心频率都是4.485GHz(对应
的里德堡跃迁)。
图4给出了使用频率间隔为300kHz，用具有三个梳齿的微波频率梳实现微波测量，具有大约65dB的动态范围(大约62dB的线性动态范围)。微波信号相对于中心频率(4.485GHz)的差值分别是50kHz,350kHz，-350kHz,这三组信号分别与相对于中心频率相差-300kHz,0,300kHz的频率梳分量产生拍频。这里用到的频率梳3个频率分量(梳齿)的相位分别选取为0°，90°，0°。
图5给出了基于具有三个梳齿的频率梳，频率间隔为300kHz,接收与中心频率(4.485GHz)差-350.001kHz以及-350.001kHz信号场，通过频谱分析仪处理输出信号(分辨率带宽为1Hz),得到的50kHz和50.001kHz拍频信号的频谱。受限于频谱分析仪的分辨带宽，该传感器可以实现的最小可以分辨频率为1Hz。
如图6给出了基于三个梳齿，频率间隔为300kHz的频率梳，通过采集波形并且拟合的办法，测量偏离中心频率50Hz的信号输入和输出的相位关系。
图7给出了使用9个梳齿，频率间隔为4MHz的频率梳,可以实现36MHz的信号测量范围。
Claims (1)
1.基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器的探测方法，所述的基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器，包括探测光(1)、修饰光(2)、耦合光(3)三束光，三束光均入射并激发处于含铯玻璃泡(4)中的原子到里德堡态；
含铯玻璃泡(4)外设有喇叭天线(5)、微波频率梳(13)、待测信号场(14)，微波频率梳(13)的微波频率梳信号和待测信号场(14)的待测信号通过微波合路器(12)进入喇叭天线(5)加载到含铯玻璃泡(4)上；
还包括差分探测器(10)，用于读取拍频信号；差分探测器(10)与数据处理系统(11)连接，数据处理系统(11)分析拍频信号；
其特征在于，包括以下步骤：
修饰光(2)、耦合光(3)通过第二个二向色镜(8)合束，由第三个二向色镜(7)反射进入含铯玻璃泡(4)内；探测光(1)经过双反镜(9)分为两束光路，两束光路均透过第一个二向色镜(6)，其中一束光路在含铯玻璃泡(4)内与修饰光(2)、耦合光(3)反射的光路重合；然后微波频率梳(13)和待测信号场(14)通过微波合路器(12)进入喇叭天线(5)加载到含铯玻璃泡(4)中的里德堡原子实现混频；
所述的微波频率梳(13)，包括一系列具有固定相位和频率间隔一定的单音信号叠加；其第i个梳齿的频率表示为：
fi＝N·fr+f0
其中，N为频率梳梳齿数目，fr为重复频率，也就是梳齿的频率间隔，f0为偏置频率,也就是频率梳的起始频率；
拍频信号是通过差分探测器(10)读取耦合光(3)处于零失谐附近的探测光(1)透射信号得到；通过数据处理系统(11)分析该信号，得到拍频信号的幅度、频率、相位信息；
所述的拍频信号的幅度：
SBeat∝|ELO||ESIG|cos(Δω+Δφ)
此处ELO代表与信号发生拍频的最近邻频率梳梳齿分量，|ELO|是该频率梳梳齿分量的场强，ESIG代表待测信号场(14)，|ESIG|是待测信号场(14)场强，Δω是ELO与ESIG的频率差，Δφ是ELO与ESIG的相位差；通过单个微波频率梳就可以获得待测信号场(14)的相位和幅度信息。
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