CN113376449A - 基于里德堡原子的低频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,具体涉及一种基于里德堡原子的低频微波电场传感器及探测方法,包括含有铯原子的透明玻璃泡,还包括探测光、修饰光、耦合光三束光,三束光均入射到透明玻璃泡,并激发原子到透明玻璃泡中的里德堡态;透明玻璃泡外设有一对平行电极棒,用于产生低频电场;平行电极棒连接微波耦合器,微波耦合器外接本振场和信号场;还包括光电探头,接收探测光穿过透明玻璃泡的强度,光电探头与数据采集系统连接。本发明首先利用这种超外差的探测方法,使得里德堡原子测量低频电场的灵敏度得到大大提高,拓展了里德堡原子高灵敏测量电场的频率范围,并且性能稳定,抗电磁干扰能力很强。
Description
技术领域
本发明属于微波电场传感器技术领域,具体涉及一种基于里德堡原子的低频微波电场传感器及探测方法。
背景技术
传统微波测量技术基于天线传感,但是由于天线存在热噪声以及尺寸效应,比较容易受到外界的电磁干扰,同时对于低频微波,往往需要尺寸很大的天线来传感,不易于小型化。之前有人提出的基于里德堡原子的接收机,也局限于测量与里德堡能级共振的高频微波,不适应于低频波段。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提出一种利用里德堡原子来测量远共振的低频微波,成功将原子接收机的测量范围拓展至低频波段。本发明中利用低频微波电场与里德堡原子的相互作用,通过EIT光谱技术探测低频微波电场对原子能级造成的扰动,并且利用超外差的探测方法,通过引入本振电场,将待测的信号电场信息以拍频的形式反映到光谱上,通过探测光谱上的拍频信息来得到待测信号电场,实现高灵敏的测量。
具体的技术方案为:
基于里德堡原子的低频微波电场传感器,包括含有铯原子的透明玻璃泡,还包括探测光、修饰光、耦合光三束光,三束光均入射到透明玻璃泡,并激发原子到透明玻璃泡中的里德堡态;
透明玻璃泡外设有一对平行电极棒,用于产生低频电场;平行电极棒连接微波耦合器,微波耦合器外接本振场和信号场;
还包括光电探头,接收探测光穿过透明玻璃泡的强度,光电探头与数据采集系统连接。
进一步的,所述的探测光的光路上设有双反镜、第一个二向色镜、透明玻璃泡、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,合束后的光路上依次为第三个二向色镜、透明玻璃泡;修饰光、耦合光的合束光路由第三个二向色镜反射进入透明玻璃泡内;
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,其中一束光路在透明玻璃泡内与修饰光、耦合光的合束光路重合;
光电探头设在第三个二向色镜的透射光路上。
所述的探测光为852nm激光,修饰光为1470nm激光,耦合光为779nm激光。
上述基于里德堡原子的低频微波电场传感器的探测方法,包括以下步骤:
(1)通过激光激发把Cs原子激发到里德堡态;
Cs原子蒸气位于透明玻璃泡内,最开始原子处于基态6S1/2,首先利用探测光将原子激发到中间激发态6P3/2,然后利用修饰光将原子激发到激发态7S1/2,最后利用耦合光将原子激发到里德堡态nP3/2;
(2)实现EIT光谱探测;
通过调谐扫描耦合光,利用光电探头测量探测光透过原子的强度变化,根据EIT理论观测到一个窄的EIT透射峰,EIT光谱实质反映了原子的能级,通过探测EIT光谱特征即可得到原子能级的相关信息;
(3)施加微波电场;
采用了超外差的探测方式,通过施加一个强的本振场,再施加一个弱的信号场,其中本振场与信号场存在一个小的失谐量,然后通过微波耦合器施加在一对平行电极棒上,两平行电极棒之间会产生低频电场;这里本振场可以放大里德堡原子对信号场的响应,两个电场与里德堡原子发生相互作用,造成里德堡原子的能级移动,最终造成EIT光谱的变化,实际观察到就是施加两个电场后,EIT光谱出现的拍频现象。信号电场的频率在几十MHz的频率范围内,与原子能级存在很大的失谐,所以几乎不会耦合能级跃迁,只会导致Stark能移。Stark能移量其中α是原子极化率,信号电场与本振场叠加的场强满足:
此处指的是信号电场与本振场叠加后的总电场振幅平方的时间平均,ES指的是信号电场的振幅,ELO指的是本振电场的振幅,δ指的是信号电场与本振电场的频率差,也就是EIT光谱中的拍频频率,指的是本振电场的初始相位。
于是原子能级移动量呈现余弦变化,最终的EIT能(光)谱也将携带这种拍频信息,其中拍频的频率就是本振场与信号场的失谐,拍频的强度与信号场的强度有关,通过测量拍频强度即可反推得到信号电场的强度。
本发明提到的基于里德堡原子的低频微波电场传感器及探测方法,具有以下技术效果:
(1)首先利用这种超外差的探测方法,使得里德堡原子测量低频电场的灵敏度得到大大提高,拓展了里德堡原子高灵敏测量电场的频率范围,可以作为低频微波接收机,对长波通信有重要应用。
(2)其次这种借助里德堡原子系统的测量系统,性能稳定,抗电磁干扰能力很强,为以后小型化,便携式的基于原子的接收机有很大意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是实施例的原子能级示意图;
图3是是实施例的测量30MHz微波电场时的动态范围以及可测量的最小场
图4是是实施例的瞬时带宽的测量数据。
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,基于里德堡原子的低频微波电场传感器,包括含有铯原子的透明玻璃泡9,还包括探测光1、修饰光2、耦合光3三束光,三束光均入射到透明玻璃泡9,并激发原子到透明玻璃泡9中的里德堡态;
具体的,所述的探测光1的光路上设有双反镜4、第一个二向色镜5、透明玻璃泡9、第三个二向色镜6;
所述的修饰光2、耦合光3通过第二个二向色镜7合束,合束后的光路上依次为第三个二向色镜6、透明玻璃泡9;修饰光2、耦合光3的合束光路由第三个二向色镜6反射进入透明玻璃泡9内;
探测光1经过双反镜4分为两束光路,两束光路均透过第一个二向色镜5,其中一束光路在透明玻璃泡9内与修饰光2、耦合光3的合束光路重合;
还包括光电探头11,接收探测光1穿过透明玻璃泡9的强度,光电探头11与数据采集系统14连接。光电探头11设在第三个二向色镜6的透射光路上。
透明玻璃泡9外设有一对平行电极棒8,用于产生低频电场;平行电极棒8连接微波耦合器10,微波耦合器10外接本振场12和信号场13;
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3,三束激光将原子激发到里德堡态,并形成四能级EIT,通过外加本振场12和信号场13到平行电极棒8,在原子团周围产生低频电场,里德堡态的Cs原子与电场发生相互作用,用光电探头11接收穿过原子团的探测光1的强度,得到EIT光谱,分析光谱中的拍频数据即可得到待测信号场的信息。
如图2所示,其中耦合光3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。
图3是利用该系统测量30MHz微波电场时的动态范围以及可测量的最小场,实验过程中通过不断衰减信号场,测量光谱中的拍频强度,可以看到可测量信号场的功率动态范围为65dB,灵敏度可以达到32μV/cm/Hz-1/2。
图4是该基于里德堡原子的低频微波电场传感器瞬时带宽的测量数据。横坐标是信号场与本振场的失谐,可以看到随着失谐量增大,拍频信号强度逐渐降低,定义拍频强度降低3dB的频率范围为系统的瞬时带宽,考虑到负的失谐量,该基于里德堡原子的低频微波电场传感器测量的瞬时带宽可以达到2MHz,可以同时测量多个低频电场信号。
Claims (4)
1.基于里德堡原子的低频微波电场传感器,其特征在于,包括含有铯原子的透明玻璃泡(9),还包括探测光(1)、修饰光(2)、耦合光(3)三束光,三束光均入射到透明玻璃泡(9),并激发原子到透明玻璃泡(9)中的里德堡态;
透明玻璃泡(9)外设有一对平行电极棒(8),用于产生低频电场;平行电极棒(8)连接微波耦合器(10),微波耦合器(10)外接本振场(12)和信号场(13);
还包括光电探头(11),接收探测光(1)穿过透明玻璃泡(9)的强度,光电探头(11)与数据采集系统(14)连接。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的低频微波电场传感器,其特征在于,所述的探测光(1)的光路上设有双反镜(4)、第一个二向色镜(5)、透明玻璃泡(9)、第三个二向色镜(6);
所述的修饰光(2)、耦合光(3)通过第二个二向色镜(7)合束,合束后的光路上依次为第三个二向色镜(6)、透明玻璃泡(9);修饰光(2)、耦合光(3)的合束光路由第三个二向色镜(6)反射进入透明玻璃泡(9)内;
探测光(1)经过双反镜(4)分为两束光路,两束光路均透过第一个二向色镜(5),其中一束光路在透明玻璃泡(9)内与修饰光(2)、耦合光(3)的合束光路重合;
光电探头(11)设在第三个二向色镜(6)的透射光路上。
3.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的低频微波电场传感器,其特征在于,所述的探测光(1)为852nm激光,修饰光(2)为1470nm激光,耦合光(3)为779nm激光。
4.根据权利要求1到3任一项所述的基于里德堡原子的低频微波电场传感器的探测方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过激光激发把Cs原子激发到里德堡态;
Cs原子蒸气位于透明玻璃泡(9)内,最开始原子处于基态6S1/2,首先利用探测光(1)将原子激发到中间激发态6P3/2,然后利用修饰光(2)将原子激发到激发态7S1/2,最后利用耦合光(3)将原子激发到里德堡态nP3/2;
(2)实现EIT光谱探测;
通过调谐扫描耦合光(3),利用光电探头(11)测量探测光(1)透过原子的强度变化,根据EIT理论观测到一个窄的EIT透射峰,EIT光谱实质反映了原子的能级,通过探测EIT光谱特征即可得到原子能级的相关信息;
(3)施加微波电场;
采用了超外差的探测方式,通过施加一个强的本振场(12),再施加一个弱的信号场(13),其中本振场(12)与信号场(13)存在一个小的失谐量,然后通过微波耦合器(10)施加在一对平行电极棒(8)上,两平行电极棒(8)之间会产生低频电场;这里本振场(12)可以放大里德堡原子对信号场的响应,两个电场与里德堡原子发生相互作用,造成里德堡原子的能级移动,最终造成EIT光谱的变化,实际观察到就是施加两个电场后,EIT光谱出现的拍频现象;拍频的频率就是本振场(12)与信号场(13)的失谐,拍频的强度与信号场(13)的强度有关,通过测量拍频强度即可反推得到信号场(13)的强度。
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