CN113514698A - 一种测量微波相位的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量微波相位的装置和方法，装置包括：里德堡原子微波电场传感器、辐射单元、塞曼调制单元和测量单元。本发明利用交流磁场的塞曼效应，将参考信号的相位映射到原子能级振荡的相位，然后直接在里德堡原子微波电场传感器中实现微波拍频信号与交流磁场塞曼调制信号的比较，直接通过拍频信号的振幅信息得到微波电场的相位。相对于传统的通过将拍频信号的波形与参考波形比较得到相位的方法，本发明方法在不需要得到规则正弦拍频信号的情况下，通过直接读取拍频信号的幅度就可以得到待测微波电场的相位，更加灵敏、直接和简单。

Description

一种测量微波相位的装置和方法

技术领域

本发明涉及微波测量领域，具体涉及一种测量微波相位的装置和方法。

背景技术

里德堡原子由于具有大的电偶极矩，对外场十分敏感，相邻里德堡能级的跃迁频率在微波波段，因此在微波电场强度、相位的测量、微波通讯等方面有非常大的应用前景，人们在2012年报道了基于里德堡原子电磁感应透明(EIT)和Autler-Townes分裂的量子微波电场传感器[Nature Physics 8,819(2012)]，掀起了微波量子测量的研究高潮。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)]。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，原因是PD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)]。具体的实现方案有如下两种：

第一种方案是将待测微波与频率相等的参考微波在空间中发生干涉，微波相位信息故而转化为微波强度信息。如果两者频率相近，则发生拍频现象，微波强度随时间变化的信息再通过里德堡原子微波电场计测量，就得到一个拍频信号，微波相位能转化为拍频信号的相位，通过比较拍频信号与参考信号，就可以得到微波的相位信息。但是，该方法的缺点在于需要获得比较规则的正弦拍频信号，然后再与参考正弦信号比较，才能得到相位信息，存在一定的局限性。

第二种方案是利用原子在里德堡态间拉比振荡的相位与其耦合的待测微波相位之间的关系，原子能级环路之间的干涉可以将微波相位信息转化为能级占据数信息，反映在探测光透射率上，从而获得微波相位信息[IEEE Aerospace and Electronic SystemsMagazine,35,48-56(2020)]。但是，该方法的缺点在于需要找到若干特殊的原子能级，使得它们的能级差与辅助电磁波能大致相等，因此仅适用于特定频率的微波，应用不够广泛。

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测量微波相位的装置和方法，在不需要得到规则正弦拍频信号的情况下，直接读取拍频信号的幅度就可以得到待测微波电场的相位，更加灵敏、直接和简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种测量微波相位的装置，所述装置包括：里德堡原子微波电场传感器、辐射单元、塞曼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参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号，其中，所述待测微波电场和所述参考微波电场的频率相近；

所述塞曼调制单元，用于提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，所述交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，所述交流参考磁场信号的频率与所述拍频信号的频率相同；

所述测量单元，用于通过固定所述交流参考磁场信号的相位，改变所述待测微波电场的相位，获取对应的所述拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到所述待测微波电场的相位。

进一步，如上所述的装置，所述里德堡原子微波电场传感器还包括：声光调制器和锁相放大器，所述声光调制器用于将所述耦合光的强度进行正弦周期调制后发送到所述锁相放大器中作为参考信号，通过所述锁相放大器提高测量所述探测光信号的信噪比。

进一步，如上所述的装置，所述辐射单元包括两个微波天线，所述两个微波天线用于将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上。

进一步，如上所述的装置，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相同时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相反时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的一半，或更小。

进一步，如上所述的装置，所述塞曼调制单元包括：一对亥姆霍兹线圈，线圈的中心轴与所述耦合光和所述探测光重合，线圈的中心放置有所述铷原子蒸汽池，且所述一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于所述铷原子蒸汽池的尺寸。

进一步，如上所述的装置，所述耦合光为480nm的激光，所述探测光为780nm的激光。

本发明实施例中还提供了一种测量微波相位的方法，所述方法包括以下步骤：

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、将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号，其中，所述待测微波电场和所述参考微波电场的频率相近；

S300、提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，所述交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，所述交流参考磁场信号的频率与所述拍频信号的频率相同；

S400、通过固定所述交流参考磁场信号的相位，改变所述待测微波电场的相位，获取对应的所述拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到所述待测微波电场的相位。

进一步，如上所述的方法，所述S200包括：

通过两个微波天线将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号。

进一步，如上所述的方法，所述根据所述交流参考磁场信号的相位获取所述拍频信号的峰峰值，包括：

当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相同时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相反时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的一半，或更小。

进一步，如上所述的方法，所述提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，包括：

设置一对亥姆霍兹线圈，线圈的中心轴与所述耦合光和所述探测光重合，线圈的中心放置有所述铷原子蒸汽池，且所述一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于所述铷原子蒸汽池的尺寸。

本发明的有益效果在于：本发明利用交流磁场的塞曼效应，将参考信号的相位映射到原子能级振荡的相位，然后直接在里德堡原子微波电场传感器中实现微波拍频信号与交流磁场塞曼调制信号的比较，直接通过拍频信号的振幅信息得到微波电场的相位。

相比于传统的需要获得比较规则的正弦拍频信号，然后再与参考正弦信号比较，才能得到微波电场的相位信息。本发明的方法可以直接在原子传感器中将微波相位与参考波相位进行比较，然后直接读取的拍频信号幅度可以直接反映微波的相位，更直接和简单，极大地简化了微波相位测量的实验装置，并在实际应用中有重要价值。

相比于利用原子在里德堡态间拉比振荡的相位与待测微波相位之间的关系比较的方法，该方法需要找到若干特殊能级，使得这些能级差与所有入射电磁波能量大致相等，因此只用于特定微波频率，且实验装置复杂。本发明利用塞曼调制辅助的方法适用于所有里德堡原子电场传感器适用的频率，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种测量微波相位的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的里德堡原子能级图和装置场景示意图；

图3为本发明实施例中提供的塞曼调制对拍频信号影响的波形图；

图4为本发明实施例中提供的在塞曼调制下拍频信号的幅度与待测微波电场的相位的关系图；

图5为本发明实施例中提供的一种测量微波相位的方法的流程示意图。

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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，均属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种测量微波相位的装置，如图1所示，该装置包括：里德堡原子微波电场传感器100、辐射单元200、塞曼调制单元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原子构建里德堡原子微波电场传感器，里德堡原子可以由以下四个能级组成，分别是5S_1/2(F＝2)，5P_3/2(F＝3)，53D_5/2(F＝4)，54P_3/2(F＝3)，需要说明的是，本发明不局限于这些具体的原子能级。可以将探测光设置为780nm的激光，其作用于5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F＝3)的跃迁，可以将耦合光设置为480nm的激光，其作用于5P_3/2(F＝3)→53D_5/2(F＝4)的跃迁，将14GHz的微波电场作用于53D_5/2(F＝4)→54P_3/2(F＝3)的跃迁。如图2所示，780nm的激光和480nm的激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(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。在具体的实验中，可以根据实际情况设置探测光和耦合光的功率，已达到更好的测量效果。

本发明实施例中，里德堡原子微波电场传感器100还包括：声光调制器和锁相放大器，声光调制器用于将耦合光的强度进行正弦周期调制后发送到锁相放大器中作为参考信号，通过锁相放大器提高测量探测光信号的信噪比。

辐射单元200，用于将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到铷原子蒸汽池上实现干涉，得到待测微波电场和参考微波电场干涉的拍频信号，其中，待测微波电场和参考微波电场的频率相近。

本发明实施例中，辐射单元包括两个微波天线。如图2所示，待测微波电场与另一个频率相近的参考微波电场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，也就是通过测量探测光强随时间的周期性正弦变化得到两个微波干涉的拍频信号。传统方法是先得到拍频信号，再将这个拍频正弦信号与一个同频率且相位固定的参考正弦信号比较，得到待测微波电场的相位信息。在本实施例中，参考微波电场的相位恒定不变。本实施例中，待测微波电场和参考微波电场的频率相近，这里的相近是指频率差受到里德堡原子微波电场传感器带宽的限制，一般小于5MHz。具体地，在本实施的具体例子中，我们将两个微波电场的频率差Δ_MW设置为50Hz，待测微波电场即弱场的输出功率可以设置为-20dBm，参考微波电场即强场的输出功率可以设置为-9dBm，两个微波天线的增益设置为10dB。可以调节强场功率以调节无磁场情况下，拍频信号造成的探测光透过率振荡峰峰值，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50Hz的拍频信号。

塞曼调制单元300，用于提供交流参考磁场信号作用于铷原子蒸汽池，交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，交流参考磁场信号的频率与拍频信号的频率相同。

本发明实施例中，塞曼调制单元300包括：一对亥姆霍兹线圈，线圈的中心轴与耦合光和探测光重合，线圈的中心放置有铷原子蒸汽池且一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于铷原子蒸汽池的尺寸，这里远大于是指线圈的尺寸和间距至少是铷池尺寸的5倍。一是为了保证铷池附近的磁场均匀，二是为了避免微波干涉对实验的影响。自制的射频功放可以给线圈提供0-10kHz、幅度0-10V的正弦信号，对应的在铷原子蒸汽池附近产生的磁场是0-3高斯。然后，线圈形成的交流参考磁场信号的相位信息就可以映射到原子能级移动的周期振荡上了。

本发明实施例中，可以将交流参考磁场信号与待测微波的拍频信号的频率设置为一样，均为50Hz，磁场大小约为2.5高斯，根据实际情况调节塞曼调制磁场的大小，要求是交流参考磁场信号的信号强度与拍频信号的强度可比拟，此时塞曼调制辅助测量的效果较佳。如图3所示，塞曼调制对拍频波形的典型影响，中间的线条表示没有塞曼调制时的拍频信号，上面的线条表示交流参考磁场信号与拍频信号同相时的结果，下面的线条表示交流参考磁场信号与拍频信号反相时的结果，从图中可知，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相同时，拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相反时，拍频信号的峰峰值变为原来的一半。

测量单元400，用于通过固定交流参考磁场信号的相位，改变待测微波电场的相位，获取对应的拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到待测微波电场的相位。

本发明实施例中，核心是将拍频信号与塞曼调制的交流参考磁场信号(测量时相位不变)直接在里德堡原子微波电场传感器中进行比较，得到待测微波场的相位。具体地，需要在固定塞曼调制的相位的情况下，改变待测微波电场的相位，测量对应的拍频振幅，结果如图4所示，横轴是改变待测微波电场的相位，纵轴是拍频信号的峰峰值(振幅)，空心圆圈是只有微波拍频的结果，可以看到当待测微波电场的相位改变时拍频信号的峰峰值基本保持不变。空心方块是施加塞曼调制后微波拍频信号的峰峰值，可以看到当交流参考磁场信号的相位跟待测微波电场的相位一致时(二者之差约等于0度)，拍频信号的峰峰值相比于只有微波拍频的信号增加了一倍，当交流参考磁场信号的相位跟待测微波电场的相位相反时(二者之差约等于180度)，拍频信号的峰峰值相比于只有微波拍频的信号强度的一半，这表明此时拍频信号的峰峰值可以用来测量待测微波电场的相位，即通过塞曼调制后，微波相位的测量可以直接转换成拍频幅度的测量。

举例来说，首先，利用⁸⁷Rb原子构建里德堡原子微波电场传感器，假设里德堡原子由以下四个能级组成，分别是5S_1/2(F＝2)，5P_3/2(F＝3)，53D_5/2(F＝4)，54P_3/2(F＝3)，假设探测光为780nm的激光，其作用于5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F＝3)的跃迁，假设耦合光为480nm的激光，其作用于5P_3/2(F＝3)→53D_5/2(F＝4)的跃迁，假设微波电场的频率为14.2GHz，其作用于53D_5/2(F＝4)→54P_3/2(F＝3)的跃迁。780nm的激光和480nm的激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(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。其次，设置两个微波天线，将待测微波电场(14.2GHz)和参考微波电场(14.2GHz+Δ_MW)分别辐射到铷原子蒸汽池上实现干涉，得到对应的拍频信号，其中，Δ_MW为50Hz，待测弱场输出功率为-20dBm，辅助强场输出功率为-9dBm，两个微波天线的增益为10dB。然后，给拍频信号施加塞曼调制磁场，具体设置一对亥姆霍兹线圈，将线圈的中心轴与耦合光探测光重合，将铷原子蒸汽池放在线圈的中心，将产生的交流参考磁场信号与待测微波拍频信号的频率一样都是50Hz，磁场大小约为2.5高斯，结果如图3和4，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相同时，拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相反时，拍频信号的峰峰值变为原来的一半，或更小。最后，在固定塞曼调制的相位的情况下，改变待测微波电场的相位，测量对应的拍频振幅，结合塞曼调制下拍频信号振幅与对应微波电场的相位之间的关系，得到待测微波电场的相位。

采用本发明实施例的装置，可以通过对拍频信号施加塞曼调制，根据拍频信号的峰峰值来测量待测微波电场的相位，相比于现有技术中先在原子传感器中获得微波拍频信号，再将微波拍频信号与固定相位的参考波进行比较得到微波相位的方法，本发明直接在里德堡原子微波电场传感器中实现微波拍频信号与参考信号的比较，这里参考信号是通过交流磁场作用到传感器上的，然后通过直接读取的拍频信号幅度就可以直接获得微波的相位，因此本发明的方法更直接和简单，极大地简化了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，还提供了一种测量微波相位的方法，如图5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。

本发明实施例中，利用⁸⁷Rb原子构建里德堡原子微波电场传感器，里德堡原子可以由以下四个能级组成，分别是5S_1/2(F＝2)，5P_3/2(F＝3)，53D_5/2(F＝4)，54P_3/2(F＝3)，需要说明的是，本发明不局限于这些具体的原子能级。可以将探测光设置为780nm的激光，其作用于5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F＝3)的跃迁，可以将耦合光设置为480nm的激光，其作用于5P_3/2(F＝3)→53D_5/2(F＝4)的跃迁，将14GHz的微波电场作用于53D_5/2(F＝4)→54P_3/2(F＝3)的跃迁。如图2所示，780nm的激光和480nm的激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(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。在具体的实验中，可以根据实际情况设置探测光和耦合光的功率，已达到更好的测量效果。

本发明实施例中，还可以利用声光调制器将耦合光的强度进行正弦周期调制后发送到锁相放大器中作为参考信号，利用锁相放大器提高测量探测光信号的信噪比。

S200、将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到铷原子蒸汽池上实现干涉，得到待测微波电场和参考微波电场干涉的拍频信号，其中，待测微波电场和参考微波电场的频率相近。

本发明实施例中，可以设置两个微波天线，如图2所示，待测微波电场与另一个频率相近的参考微波电场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，也就是通过测量探测光强随时间的周期性正弦变化得到两个微波干涉的拍频信号。传统方法是先得到两个微波的拍频信号，之后再将这个拍频正弦信号与一个同频率且相位固定的参考正弦信号比较，得到待测微波电场的相位信息。在本实施例中，参考微波电场的相位恒定不变。具体地，两个微波电场的频率差Δ_MW可以设置为50Hz，待测微波电场即弱场的输出功率可以设置为-20dBm，参考微波电场即强场的输出功率可以设置为-9dBm，两个微波天线的增益设置为10dB。可以调节参考微波的功率以调节无磁场情况下，拍频信号造成的探测光透过率振荡峰峰值，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50Hz的拍频信号。

S300、提供交流参考磁场信号作用于铷原子蒸汽池，交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，交流参考磁场信号的频率与拍频信号的频率相同。

本发明实施例中，可以设置一对亥姆霍兹线圈，产生交流参考磁场信号，线圈的中心轴与耦合光和探测光重合，线圈的中心放置有铷原子蒸汽池且一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于铷原子蒸汽池的尺寸，一是为了保证铷池附近的磁场均匀，二是为了避免微波干涉对实验的影响。自制的射频功放可以给线圈提供0-10kHz、幅度0-10V的正弦信号，对应的在铷原子蒸汽池附近产生的磁场是0-3高斯。然后，线圈形成的交流参考磁场信号的相位信息就可以映射到原子能级移动的周期振荡上了。

本发明实施例中，可以将交流参考磁场信号与待测微波的拍频信号的频率设置为一样，均为50Hz，磁场大小约为2.5高斯，根据实际情况调节塞曼调制磁场的大小，要求是交流参考磁场信号的信号强度与拍频信号的强度可比拟，此时塞曼调制辅助测量的效果较佳。如图3所示，塞曼调制对拍频波形的典型影响，中间的线条表示没有塞曼调制时的拍频信号，上面的线条表示交流参考磁场信号与拍频信号同相时的结果，下面的线条表示交流参考磁场信号与拍频信号反相时的结果，从图中可知，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相同时，拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当交流参考磁场信号的相位与拍频信号的相位相反时，拍频信号的峰峰值变为原来的一半。

S400、通过固定交流参考磁场信号的相位，改变待测微波电场的相位，获取对应的拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到待测微波电场的相位。

本发明实施例中，需要在固定塞曼调制的相位的情况下，改变待测微波电场的相位，测量对应的拍频振幅，结果如图4所示，横轴是改变待测微波电场的相位，纵轴是拍频信号的峰峰值(振幅)，空心圆圈是只有微波拍频的结果，可以看到当待测微波电场的相位改变时拍频信号的峰峰值基本保持不变。空心方块是施加塞曼调制后微波拍频信号的峰峰值，可以看到当交流参考磁场信号的相位跟待测微波电场的相位一致时(二者之差约等于0度)，拍频信号的峰峰值相比于只有微波拍频的信号增加了一倍，当交流参考磁场信号的相位跟待测微波电场的相位相反时(二者之差约等于180度)，拍频信号的峰峰值相比于只有微波拍频的信号强度的一半，这表明此时拍频信号的峰峰值可以用来测量待测微波电场的相位，即通过塞曼调制后，微波相位的测量可以直接转换成拍频幅度的测量。

采用本发明实施例的方法，可以通过对拍频信号施加塞曼调制，根据拍频信号的峰峰值来测量待测微波电场的相位，相比于现有技术中先在原子传感器中获得微波拍频信号，再将微波拍频信号与固定相位的参考波进行比较得到微波相位的方法，本发明直接在里德堡原子微波电场传感器中实现微波拍频信号与参考信号的比较，这里参考信号是通过交流磁场作用到传感器上的，然后通过直接读取的拍频信号幅度就可以直接获得微波的相位，因此本发明的方法更直接和简单，极大地简化了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。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的系统及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种测量微波相位的装置，其特征在于，所述装置包括：里德堡原子微波电场传感器、辐射单元、塞曼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参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号，其中，所述待测微波电场和所述参考微波电场的频率相近；

所述塞曼调制单元，用于提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，所述交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，所述交流参考磁场信号的频率与所述拍频信号的频率相同；

所述测量单元，用于通过固定所述交流参考磁场信号的相位，改变所述待测微波电场的相位，获取对应的所述拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到所述待测微波电场的相位。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述里德堡原子微波电场传感器还包括：声光调制器和锁相放大器，所述声光调制器用于将所述耦合光的强度进行正弦周期调制后发送到所述锁相放大器中作为参考信号，通过所述锁相放大器提高测量所述探测光信号的信噪比。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射单元包括两个微波天线，所述两个微波天线用于将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相同时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相反时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的一半，或更小。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述塞曼调制单元包括：一对亥姆霍兹线圈，线圈的中心轴与所述耦合光和所述探测光重合，线圈的中心放置有所述铷原子蒸汽池，且所述一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于所述铷原子蒸汽池的尺寸。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合光为480nm的激光，所述探测光为780nm的激光。

7.一种测量微波相位的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

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、将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号，其中，所述待测微波电场和所述参考微波电场的频率相近；

S300、提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，所述交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，所述交流参考磁场信号的频率与所述拍频信号的频率相同；

S400、通过固定所述交流参考磁场信号的相位，改变所述待测微波电场的相位，获取对应的所述拍频信号的峰峰值，结合塞曼调制下拍频信号的峰峰值与对应微波电场的相位之间的关系，得到所述待测微波电场的相位。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S200包括：

通过两个微波天线将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述交流参考磁场信号的相位获取所述拍频信号的峰峰值，包括：

当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相同时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的两倍，当所述交流参考磁场信号的相位与所述拍频信号的相位相反时，所述拍频信号的峰峰值变为原来的一半，或更小。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，包括：

设置一对亥姆霍兹线圈，线圈的中心轴与所述耦合光和所述探测光重合，线圈的中心放置有所述铷原子蒸汽池且所述一对亥姆霍兹线圈的尺寸远大于所述铷原子蒸汽池的尺寸。

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