CN113504415A - 一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法，系统包括：里德堡原子微波电场传感器、微波辐射单元、微波幅度调制单元和测量单元。本发明利用幅度调制局域微波电场幅度的方法，将待测微波电场的相位直接映射到里德堡原子混频器输出的拍频信号的振幅上。传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。该方案将微波的相位信息同时传递到拍频信号的幅度和相位上，通过直接读取拍频信号的幅度，就可以得到微波的相位，也就是直接将鉴相器集成在里德堡原子混频器中，实现了里德堡原子鉴相器。
Description
技术领域
本发明涉及微波电场强度的测量，具体涉及一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法。
背景技术
精确测量射频信号的相位在雷达、通信、遥感等方面有重要应用。例如，用待传输的数字信号对连续的载波微波进行调制和解调，以实现信号的写入和读取，其思路之一是正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]，其中关键环节就是微波相位的识别。这就需要传感器对电磁波信号有“相干性响应”，即能将载波相位信息保留、继承和转化，这是对相位敏感的传感器的核心性能。相比于传统的微波传感器，比如偶极天线，基于里德堡原子的微波电场量子传感器具有精度高、灵敏度高、带宽大、尺寸小、不易被侦查等诸多优势，近几年来受到越来越多的重视[NaturePhysics,8,819-824(2012)]。相位信息通常通过干涉被转化为更容易测量的强度信息。在目前流行的微波量子传感器装置中，这种相干性在响应探测光透射光强的光电探测器(PD)处损失，其原因是PD的带宽有限，无法直接探测微波的振荡信息，因此只能探测振幅信息，故相位到强度的转化需在这一步骤之前实现[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]。2019年，人们首次利用里德堡原子作为混频器展示了微波相位的测量[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]，里德堡原子混频器的原理是将信号微波电场和与其频率相近的局域微波电场(简称LO微波电场)，共同作用在里德堡原子微波电场传感器，形成拍频信号，此时信号微波电场的相位信息就传递到低频拍频信号的相位，从而可以通过一般的光电探测器获取。具体做法是通过比较拍频信号与参考信号，得到微波的相位信息。或者将拍频信号和参考信号送到传统的鉴相器中，将相位信息转换成电压信号。传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法，可以直接在原子传感器中将微波相位与参考波进行比较，然后直接读取的拍频信号幅度可以直接得到微波的相位，更直接和简单。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种里德堡原子微波鉴相器系统，所述系统包括：里德堡原子微波电场传感器、微波辐射单元、微波幅度调制单元和测量单元；
所述里德堡原子微波电场传感器，用于将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；
所述辐射单元，用于将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，所述拍频信号的频率为所述待测微波电场和所述局域微波电场的频率差；
所述幅度调制单元，用于通过幅度调制器对所述局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为所述拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系；
所述测量单元，用于固定所述局域微波电场的相位，对所述待测微波电场施加三角波的相位调制，让所述待测微波电场在所述铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录所述三角波和所述拍频信号的振幅，基于所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系，得到所述待测微波电场的相位信息。
进一步，如上所述的里德堡原子微波鉴相器系统，通过测量所述探测光的光强随时间的周期性正弦变化，得到所述待测微波电场和所述局域微波电场干涉的拍频信号。
进一步，如上所述的里德堡原子微波鉴相器系统，当所述局域微波电场的幅度远大于所述待测微波电场的幅度时，所述探测光的光强与所述待测微波电场的相位的关系为：
Tp∝ELO+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (1)
其中，Tp为所述探测光的光强，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
进一步，如上所述的里德堡原子微波鉴相器系统，所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系为：
Tp∝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM))+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (2)
其中，Tp为所述探测光的光强，DAM为幅度调制的深度，DAM＜30％，φAM为所述局域微波电场的相位，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
进一步，如上所述的里德堡原子微波鉴相器系统，在实现微波拍频的基础上，对所述局域微波电场进行幅度调制，得到所述局域微波电场的幅度调制信号，所述探测光的信号经光电探测器接收后输入第一锁相放大器，将所述耦合光的幅度调制信号作为所述第一锁相放大器的参考信号，经所述第一锁相放大器放大后的输出信号作为第二锁相放大器的输入信号，将所述局域微波电场的幅度调制信号作为所述第二锁相放大器的参考信号，经所述第二锁相放大器解调后的输出信号则为所述探测光的光强振荡的振幅信号，即所述拍频信号的振幅信号。
本发明实施例中还提供了一种基于里德堡原子微波鉴相器系统的相位测量方法，包括：
S100、将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；
S200、将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，所述拍频信号的频率为所述待测微波电场和所述局域微波电场的频率差；
S300、通过幅度调制器对所述局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为所述拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系；
S400、固定所述参考微波电场的相位，对所述待测微波电场施加三角波的相位调制，让所述待测微波电场在所述铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录所述三角波和所述拍频信号的振幅，基于所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系，得到所述待测微波电场的相位信息。
进一步，如上所述的相位测量方法，通过测量所述探测光的光强随时间的周期性正弦变化，得到所述待测微波电场和所述局域微波电场干涉的拍频信号。
进一步，如上所述的相位测量方法，当所述局域微波电场的幅度远大于所述待测微波电场的幅度时，所述探测光的光强与所述待测微波电场的相位的关系为：
Tp∝ELO+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (1)
其中，Tp为所述探测光的光强，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
进一步，如上所述的相位测量方法，所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系为：
Tp∝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM))+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (2)
其中，Tp为所述探测光的光强，DAM为幅度调制的深度，DAM＜30％，φAM为所述局域微波电场的相位，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
进一步，如上所述的相位测量方法，在实现微波拍频的基础上，对所述局域微波电场进行幅度调制，得到所述局域微波电场的幅度调制信号，所述探测光的信号经光电探测器接收后输入第一锁相放大器，将所述耦合光的幅度调制信号作为所述第一锁相放大器的参考信号，经所述第一锁相放大器放大后的输出信号作为第二锁相放大器的输入信号，将所述局域微波电场的幅度调制信号作为所述第二锁相放大器的参考信号，经所述第二锁相放大器解调后的输出信号则为所述探测光的光强振荡的振幅信号，即所述拍频信号的振幅信号。
本发明的有益效果在于：本发明在里德堡原子混频器中引入了交流幅度调制局域微波电场这一可调节因素，直接在微波电场传感器内部将微波相位与参考波相位进行比较，最终将信号微波电场的相位信息直接转换成探测光强周期性振荡(拍频信号)的振幅信息，进而将鉴相器集成在了里德堡原子混频器中。相比于传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。该方案将微波的相位信息同时传递到拍频信号的幅度和相位上，通过直接读取拍频信号的幅度，就可以得到微波的相位，也就是直接将鉴相器集成在里德堡原子混频器中，实现了里德堡原子鉴相器。这种方法更直接和简单，这将极大地简化微波相位测量的实验装置，并在实际应用中有重要价值。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种里德堡原子微波鉴相器系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的实验能级示意图；
图3为本发明实施例中提供的实验装置示意图；
图4为本发明实施例中提供的局域微波电场幅度调制下拍频信号幅度与微波相位的关系示意图；
图5为本发明实施例中提供的相位分辨精度和线性度的实验结果示意图；
图6为本发明实施例中提供的相位分辨精度和线性度的实验结果示意图；
图7为本发明实施例中提供的一种基于里德堡原子微波鉴相器系统的相位测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种里德堡原子微波鉴相器系统，如图1所示，包括：里德堡原子微波电场传感器100、辐射单元200、幅度调制单元300和测量单元400。
里德堡原子微波电场传感器100，用于将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过探测光在电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量微波电场的强度变化。
本发明实施例中，利用87Rb原子，涉及到的原子能级由四个能级组成，分别是5S1/2(F＝2)，5P3/2(F＝3)，53D5/2(F＝4)，54P3/2(F＝3)，如图2所示，但不局限于这些具体的原子能级。其中780nm的激光(探测光)作用于5S1/2(F＝2)→5P3/2(F＝3)的跃迁，480nm的激光(耦合光)作用于5P3/2(F＝3)→53D5/2(F＝4)的跃迁，14GHz的微波作用于53D5/2(F＝4)→54P3/2(F＝3)的跃迁。780nm的激光(探测光)和480nm的激光(耦合光)在铷原子蒸汽池中相向重合传播，形成里德堡原子的电磁感应透明(EIT)，此时施加微波电场后，EIT就会发生Autler-Townes分裂，通过探测光在EIT共振位置的透过率变化就可以测量微波电场强度的变化。实验中激光器的参数如下(但不限于)：探测光功率60微瓦，在铷原子蒸汽中的直径约为800微米，耦合光功率50毫瓦，在铷原子蒸汽中的直径约为900微米。在实验中，利用声光调制器将耦合光的强度进行了30kHz的正弦周期调制，将30kHz的调制信号同时送到锁相放大器中作为参考信号，然后利用锁相放大器提高探测光读取的信噪比。实验时，探测光的频率锁定在5S1/2(F＝2)→5P3/2(F＝3)的跃迁，耦合光的频率锁定在5P3/2(F＝3)→53D5/2(F＝4)的跃迁。此时在铷原子蒸汽池上施加微波时，探测光的强度就会发生变化，通过测量探测光透过率(或光强)的变化来得到微波电场的强度。需要说明的是，本文中的信号微波指待测微波，局域微波指参考微波。
辐射单元200，用于将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，拍频信号的频率为待测微波电场和局域微波电场的频率差。
本发明实施例中，将待测微波与另一个频率相近的局域微波分别通过两个微波天线辐射到铷原子蒸汽池上，在铷原子蒸汽池中实现干涉。干涉的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器测量，也就是得到探测光强随时间的周期性正弦变化，反过来可以说，通过测量探测光的光强随时间的周期性正弦变化，得到待测微波电场和局域微波电场干涉的拍频信号。当局域微波电场的幅度远大于待测微波电场的幅度时，探测光的光强与待测微波电场的相位的关系为：
Tp∝ELO+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (1)
其中，Tp为探测光的光强，φSIG为待测微波电场的相位，ELO为局域微波电场的幅度，ESIG为待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
在实验中，局域微波的相位恒定不变。传统方法是将这个拍频正弦信号与一个同频的参考正弦信号比较，就可以得到待测微波电场相位信息。实验中微波电场的参数如下(但不限于)：两个微波电场的频率差是1kHz，局域微波电场ELO＝10.14mV/cm，待测微波电场ESIG＝2.75mV/cm。两天线增益为10dB。可以调节强场功率来改变由拍频信号造成的探测光透射率振荡峰峰值，可根据实际测量需求调整，要求是在探测光的透过率(或光强)上有清晰1kHz的拍频信号。实际操作中，两个微波电场的频率差可以达到100kHz，主要是受到实验中采用的锁相放大器带宽100kHz的限制。
幅度调制单元300，用于通过幅度调制器对局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到待测微波电场的相位与拍频信号的振幅之间的变化关系。
本发明实施例中，通过一个幅度调制器，对局域微波电场的幅度进行调制，为了简单起见，我们选择将微波电场衰减的方式进行调制，调制后的微波电场ELO,MOD为：
ELO,MOD＝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM)) (2)
其中，幅度调制的频率设置为拍频信号的频率，且幅度调制的深度小于30％，以满足ELO,MOD远大于ESIG，这样公式(1)仍然成立，并且此时可以写成如下的形式：
Tp∝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM))+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (3)
其中，Tp为探测光的光强，DAM为幅度调制的深度，DAM＜30％，φAM为局域微波电场的相位，φSIG为待测微波电场的相位，ELO为局域微波电场的幅度，ESIG为待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
从公式(3)可以看出，当信号微波电场的相位φSIG相对于局域场幅度调制的相位φAM发生变化时，探测光强的振幅就会发生变化。具体实施例中，局域微波电场ELO＝10.14mV/cm，待测微波电场ESIG＝2.75mV/cm，ΔMW＝1kHz，DAM＝20％。
测量单元400，用于固定局域微波电场的相位，对待测微波电场施加三角波的相位调制，让待测微波电场在铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录三角波和拍频信号的振幅，基于待测微波电场的相位与拍频信号的振幅之间的变化关系，得到待测微波电场的相位信息。
本发明实施例中，如图3所示，在实现微波拍频的基础上，对强LO微波电场(参考微波电场)进行幅度调制，得到局域微波电场的幅度调制信号，探测光的信号经光电探测器接收后输入第一锁相放大器(锁相放大器1)，将30kHz的耦合光的幅度调制信号作为第一锁相放大器的参考信号，经第一锁相放大器放大后的输出信号作为第二锁相放大器(锁相放大器2)的输入信号，将AM调制信号即局域微波电场的幅度调制信号作为第二锁相放大器的参考信号，经第二锁相放大器解调后的输出信号则为探测光的光强振荡的振幅信号，即拍频信号的振幅信号。此时，固定局域信号的相位φAM，通过对信号场施加三角波的相位调制，让信号场的相位从0到4π线性变化，用示波器同时记录三角波和锁相放大器2输出的探测光强振荡的振幅，就实现了信号微波电场相位信息的测量，结果如图4所示。我们知道当没有对局域微波电场进行幅度调制时，拍频信号的幅度不随着信号微波电场的相位变化而变化，也就是振幅信息不能显示相位信息。而当对局域微波电场进行幅度调制时，拍频信号的幅度就跟信号微波电场的相位有依赖关系。图4中实线是实验结果，虚线是利用公式(3)得到的理论计算结果，符合得很好。需要说明的是，实际应用中，可以省去图3中的信号发生器3和声光调制器，直接将光电探测器的输出信号接入到锁相放大器2中即可。
另外，线性度和分辨率是鉴相器的重要参数。我们用TTL控制信号场的相位φSIG在一定范围内变化，观察鉴相器的输出，如图5所示，发现当局域场的调制相位设置为π/4时，信号场的相位在0-π/2范围内变化时，鉴相器的输出跟信号场的相位φSIG是线性关系，如图6所示。通过估计得到相位分辨率为2度左右。达到了目前原子混频器的水平。
采用本发明实施例的装置，在里德堡原子混频器中引入了交流幅度调制局域微波电场这一可调节因素，直接在微波电场传感器内部将微波相位与参考波相位进行比较，最终将信号微波电场的相位信息直接转换成探测光强周期性振荡(拍频信号)的振幅信息，进而将鉴相器集成在了里德堡原子混频器中。传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。该方案将微波的相位信息同时传递到拍频信号的幅度和相位上，通过直接读取拍频信号的幅度，就可以得到微波的相位，也就是直接将鉴相器集成在里德堡原子混频器中，实现了里德堡原子鉴相器。这种方法更直接和简单，这将极大地简化微波相位测量的实验装置，并在实际应用中有重要价值。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种基于里德堡原子微波鉴相器系统的相位测量方法，如图7所示，该方法包括以下步骤：
S100、将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过探测光在电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量微波电场的强度变化；
S200、将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，拍频信号的频率为待测微波电场和局域微波电场的频率差；
S300、通过幅度调制器对参考微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到待测微波电场的相位与拍频信号的振幅之间的变化关系；
S400、固定参考微波电场的相位，对待测微波电场的相位调制，让铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录三角波和拍频信号的振幅，基于待测微波电场的相位与拍频信号的振幅之间的变化关系，得到待测微波电场的相位信息。
该方法还包括：
S500、鉴相器的线性度和分辨率的测量。我们用TTL控制信号场的相位φSIG在一定范围内变化，观察鉴相器的输出，结果如图5所示。发现当局域场的调制相位设置为π/4时，信号场的相位在0-π/2范围内变化时，鉴相器的输出跟信号场的相位φSIG是线性关系。通过估计得到相位分辨率为2度左右。达到了目前原子混频器的水平。
采用本发明实施例的方法，可以直接在原子传感器中将微波相位与参考波进行比较，然后直接读取的拍频信号幅度可以直接反映微波的相位，这种方法更直接和简单，这将极大地简化微波相位测量的实验装置，并在实际应用中有重要价值。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种里德堡原子微波鉴相器系统，其特征在于，所述系统包括：里德堡原子微波电场传感器、微波辐射单元、微波幅度调制单元和测量单元；
所述里德堡原子微波电场传感器，用于将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；
所述微波辐射单元，用于将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，所述拍频信号的频率为所述待测微波电场和所述局域微波电场的频率差；
所述微波幅度调制单元，用于通过幅度调制器对所述局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为所述拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系；
所述测量单元，用于固定所述局域微波电场的相位，对所述待测微波电场施加三角波的相位调制，让所述待测微波电场在所述铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录所述三角波和所述拍频信号的振幅，基于所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系，得到所述待测微波电场的相位信息。
2.根据权利要求1所述的里德堡原子微波鉴相器系统，其特征在于，通过测量所述探测光的光强随时间的周期性正弦变化，得到所述待测微波电场和所述局域微波电场干涉的拍频信号。
3.根据权利要求2所述的里德堡原子微波鉴相器系统，其特征在于，当所述局域微波电场的幅度远大于所述待测微波电场的幅度时，所述探测光的光强与所述待测微波电场的相位的关系为：
Tp∝ELO+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (1)
其中，Tp为所述探测光的光强，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
4.根据权利要求3所述的里德堡原子微波鉴相器系统，其特征在于，所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系为：
Tp∝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM))+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (2)
其中，Tp为所述探测光的光强，DAM为幅度调制的深度，DAM＜30％，φAM为所述局域微波电场的相位，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
5.根据权利要求1-4任一项所述的里德堡原子微波鉴相器系统，其特征在于，在实现微波拍频的基础上，对所述局域微波电场进行幅度调制，得到所述局域微波电场的幅度调制信号，所述探测光的信号经光电探测器接收后输入第一锁相放大器，将所述耦合光的幅度调制信号作为所述第一锁相放大器的参考信号，经所述第一锁相放大器放大后的输出信号作为第二锁相放大器的输入信号，将所述局域微波电场的幅度调制信号作为所述第二锁相放大器的参考信号，经所述第二锁相放大器解调后的输出信号则为所述探测光的光强振荡的振幅信号，即所述拍频信号的振幅信号。
6.一种基于里德堡原子微波鉴相器系统的相位测量方法，其特征在于，包括：
S100、将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；
S200、将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，所述拍频信号的频率为所述待测微波电场和所述局域微波电场的频率差；
S300、通过幅度调制器对所述局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为所述拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系；
S400、固定所述局域微波电场的相位，对所述待测微波电场施加三角波的相位调制，让所述待测微波电场在所述铷原子蒸汽池内的相位从0到4π变化，记录所述三角波和所述拍频信号的振幅，基于所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系，得到所述待测微波电场的相位信息。
7.根据权利要求6所述的相位测量方法，其特征在于，通过测量所述探测光的光强随时间的周期性正弦变化，得到所述待测微波电场和所述局域微波电场干涉的拍频信号。
8.根据权利要求7所述的相位测量方法，其特征在于，当所述局域微波电场的幅度远大于所述待测微波电场的幅度时，所述探测光的光强与所述待测微波电场的相位的关系为：
Tp∝ELO+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (1)
其中，Tp为所述探测光的光强，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
9.根据权利要求3所述的相位测量方法，其特征在于，所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系为：
Tp∝ELO-ELO*DAM*(1+sin(ΔMWt+φAM))+ESIGsin(ΔMWt+φSIG) (2)
其中，Tp为所述探测光的光强，DAM为幅度调制的深度，DAM＜30％，φAM为所述局域微波电场的相位，φSIG为所述待测微波电场的相位，ELO为所述局域微波电场的幅度，ESIG为所述待测微波电场的幅度，ΔMW为幅度调制的频率，t为时间。
10.根据权利要求6-9任一项所述的相位测量方法，其特征在于，在实现微波拍频的基础上，对所述局域微波电场进行幅度调制，得到所述局域微波电场的幅度调制信号，所述探测光的信号经光电探测器接收后输入第一锁相放大器，将所述耦合光的幅度调制信号作为所述第一锁相放大器的参考信号，经所述第一锁相放大器放大后的输出信号作为第二锁相放大器的输入信号，将所述局域微波电场的幅度调制信号作为所述第二锁相放大器的参考信号，经所述第二锁相放大器解调后的输出信号则为所述探测光的光强振荡的振幅信号，即所述拍频信号的振幅信号。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN116243059A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-06-09 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于里德堡原子的天线近场测试方法 |
| US11835564B2 (en) | 2019-10-24 | 2023-12-05 | British Telecommunications Public Limited Company | Wireless telecommunications network |
| WO2024032997A1 (en) * | 2022-08-10 | 2024-02-15 | British Telecommunications Public Limited Company | An electromagnetic field detector |
| US12028111B1 (en) | 2021-04-27 | 2024-07-02 | British Telecommunications Public Limited Company | Wireless transceiver |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101478068A (zh) * | 2009-01-22 | 2009-07-08 | 上海交通大学 | 基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法 |
| CN103326789A (zh) * | 2013-05-03 | 2013-09-25 | 华中科技大学 | 一种频率可调谐的微波相移系统及方法 |
| US20200233025A1 (en) * | 2019-01-23 | 2020-07-23 | ColdQuanta, Inc. | Microwave sensor using rydberg particles |
-
2021
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101478068A (zh) * | 2009-01-22 | 2009-07-08 | 上海交通大学 | 基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法 |
| CN103326789A (zh) * | 2013-05-03 | 2013-09-25 | 华中科技大学 | 一种频率可调谐的微波相移系统及方法 |
| US20200233025A1 (en) * | 2019-01-23 | 2020-07-23 | ColdQuanta, Inc. | Microwave sensor using rydberg particles |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘笑宏;梁洁;陈常军;黄巍;廖开宇;: "室温原子气室中基于电磁诱导透明和吸收效应的微波电场测量", 华南师范大学学报(自然科学版), no. 03 * |
| 金明明;张瑞国;高红卫;李贵兰;寇军;: "基于原子的微波场测量", 量子光学学报, no. 01 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11835564B2 (en) | 2019-10-24 | 2023-12-05 | British Telecommunications Public Limited Company | Wireless telecommunications network |
| US12028111B1 (en) | 2021-04-27 | 2024-07-02 | British Telecommunications Public Limited Company | Wireless transceiver |
| WO2024032997A1 (en) * | 2022-08-10 | 2024-02-15 | British Telecommunications Public Limited Company | An electromagnetic field detector |
| CN116243059A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-06-09 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于里德堡原子的天线近场测试方法 |
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