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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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114720780A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-07-08 | 杭州微纳智感光电科技有限公司 | 一种高功率高频微波场强传感方法及装置 |
| CN115267657A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-11-01 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统 |
| CN115407182A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-11-29 | 华南师大(清远)科技创新研究院有限公司 | 一种全光学的微波电场近场成像装置及方法 |
| CN115561518A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-01-03 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于里德堡原子的电磁波频率测量方法及装置 |
| CN116047181A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 北京量子信息科学研究院 | 测量微波场强的装置和测量微波场强的方法 |
| CN116413512A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-07-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于里德堡原子的瞬时测频方法和系统 |
| CN117665416A (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-08 | 航天恒星科技有限公司 | 基于掺杂材料原子气室的低频电场测量装置及测量方法 |
| CN117665417A (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-08 | 航天恒星科技有限公司 | 基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20240019476A1 (en) * | 2022-07-12 | 2024-01-18 | Northrop Grumman Systems Corporation | Electrometer system with rydberg decay fluorescence detection |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6163587A (en) * | 1997-07-10 | 2000-12-19 | York University | Process for the production of antihydrogen |
| CN106707042A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-05-24 | 山西大学 | 一种射频电场极化方向的测量装置及方法 |
| CN107121593A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-01 | 山西大学 | 基于里德堡原子量子相干效应的射频电场频率的测量方法 |
| CN107179450A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-19 | 华南师范大学 | 一种微波电场强度测量方法和测量装置 |
| CN110988504A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-10 | 北京无线电计量测试研究所 | 里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法 |
| CN112698344A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-04-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法 |
-
2021
- 2021-06-08 CN CN202110636405.4A patent/CN113376449B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6163587A (en) * | 1997-07-10 | 2000-12-19 | York University | Process for the production of antihydrogen |
| CN106707042A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-05-24 | 山西大学 | 一种射频电场极化方向的测量装置及方法 |
| CN107121593A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-01 | 山西大学 | 基于里德堡原子量子相干效应的射频电场频率的测量方法 |
| CN107179450A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-19 | 华南师范大学 | 一种微波电场强度测量方法和测量装置 |
| CN110988504A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-10 | 北京无线电计量测试研究所 | 里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法 |
| CN112698344A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-04-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YXQ: "利用高激发的里德堡态原子实现高速太赫兹成像系统", 《电子发烧友》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114720780A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-07-08 | 杭州微纳智感光电科技有限公司 | 一种高功率高频微波场强传感方法及装置 |
| CN114720780B (zh) * | 2022-06-09 | 2022-09-09 | 杭州微纳智感光电科技有限公司 | 一种高功率高频微波场强传感方法及装置 |
| CN115267657A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-11-01 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统 |
| CN115407182A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-11-29 | 华南师大(清远)科技创新研究院有限公司 | 一种全光学的微波电场近场成像装置及方法 |
| CN115561518B (zh) * | 2022-11-16 | 2023-09-19 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于里德堡原子的电磁波频率测量方法及装置 |
| CN115561518A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-01-03 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于里德堡原子的电磁波频率测量方法及装置 |
| CN116047181A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 北京量子信息科学研究院 | 测量微波场强的装置和测量微波场强的方法 |
| CN116047181B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-06 | 北京量子信息科学研究院 | 测量微波场强的装置和测量微波场强的方法 |
| CN116413512A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-07-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于里德堡原子的瞬时测频方法和系统 |
| CN116413512B (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于里德堡原子的瞬时测频方法和系统 |
| CN117665416A (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-08 | 航天恒星科技有限公司 | 基于掺杂材料原子气室的低频电场测量装置及测量方法 |
| CN117665417A (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-08 | 航天恒星科技有限公司 | 基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法 |
| CN117665416B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-05-28 | 航天恒星科技有限公司 | 基于掺杂材料原子气室的低频电场测量装置及测量方法 |
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| Publication number | Publication date |
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