CN115184691A - 一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法，该方法首先通过高压变压器驱动变形镜压电陶瓷使得变形镜发生形变，大幅拓宽耦合光激光器的可调频范围，根据里德堡原子物理属性设定变形镜形变量，使其控制的耦合光激光器频率与里德堡激发态对应；而后，通过从低频到高频扫描耦合光，观察并记录里德堡原子的电磁诱导透明现象，实现宽频段范围内电磁波的探测；最后，根据里德堡原子的电磁诱导透明现象量化数据，反算电磁波物理参数。本发明通过使用变形镜作为腔镜拓宽耦合光的扫描频率范围，从而增大可探测电磁波频率的宽度，避免使用超外差式等电学手段引入电子热噪声，为电磁波宽频谱记录和分析提供一种高灵敏度探测方式。

Description

一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法

技术领域

本发明涉及电磁波探测技术领域，尤其涉及一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法。

背景技术

无线电信号探测是无线电侦测的关键技术环节，是进行信号识别与分析的前提，在无线电管理、航海航空救援、抢险救灾等领域发挥着重要作用。但无线信号探测面临诸多困难，首先是通信可用频率范围跨度极大，如常用于通信的无线电频率为30kHz～60GHz，信号探测需要监控所有通信频段，而受传统电磁波接收机理的限制，不同频段的电磁波接收处理所需软件一致但硬件差别较大，单套设备所处理带宽相比全部通信电磁频谱范围非常有限。现有解决方案是针对不同频段、不同功率特性的信号，制备不同的探测系统，但这明显不利于部署使用，且成本很高。其次，当下无线环境日趋复杂，传统系统在灵敏度等性能上已经达到技术瓶颈，长期难以有效提升，因此微弱目标的探测也面临着极大挑战。

无线电探测一直以来普遍采用各种类型的天线连接相应的接收机和解调设备的组成形式，面向特定的应用需求，其主要的改进在于如何提高接收天线的带宽、灵敏度、增益等性能参数。研究人员利用偶极天线相继发明发展了球形偶极子、方盘偶极子、蝴蝶结偶极子、圆片偶极子以及接地单极子等一系列天线。近些年研究人员又开发了各种基于人工磁导体、可调控超表面、人工表面等离子体激元、空腔波导结构等超材料、超结构的新型天线，可对电磁波进行亚波长测量，在一定程度上提高了测量精度和空间分辨率。但是，目前超材料、超结构天线一般只用于无线电信号的接收，后端配套的处理电路仍采用的传统手段，因此其感知频谱带宽、灵敏度仍有较大限制。

目前，通信信号可能使用的频段几乎覆盖全部通信电磁频谱，且这些通信手段的组合开通使用是完全动态可变的，通信频率可能随时出现在数十吉赫兹的大跨度范围内。因此，完整地获取目标平台的电磁频谱态势是无线电管理、航海航空救援、抢险救灾的重要要求。与无线通信一样，使用经典的采样、变换等电处理方法制造覆盖全通信频段的频谱感知系统代价十分巨大，系统结构会随着信道化划分的增多而急剧膨胀。

近些年，随着量子理论与技术的快速发展，研究人员考虑利用激发态原子与外部电磁场相互作用特性，将原子传感的方法应用到无线电信号探测领域。其中，里德堡原子因其优良的电磁感应传感属性而备受关注。里德堡原子是一种处于激发态的类氢原子，轨道半径大、辐射寿命长、极化率大、易受外场的操控、且具有较长的相干时间，具备宽频率范围、高灵敏度探测电磁信号的潜力。目前，研究人员一般通过激光与里德堡原子的一种非线性量子相干效应实现电磁场的全光学测量。里德堡原子典型的量子相干效应为电磁诱导透明效应(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)现象，最早由斯坦福大学Harris等人于1990年首先做出理论性预言，并于1991年首次观察到了锶原子的Λ型EIT现象。之后美国密歇根大学G.Raithel课题组利用微波电场耦合里德堡态能级，使里德堡三能级EIT光谱发生了Aulter-Towns(AT)分裂，并研究了EIT-AT分裂间隔与微波电场强度之间的数学关系，这为之后基于里德堡原子的电磁波场强测量的研究工作奠定了理论与实验基础。

近些年，行业内研究人员一般采用双光子激发方式激发碱金属原子到特定的里德堡态，将电磁波作用于里德堡原子蒸气室，测量EIT-AT获取电磁波物理参数，通过调整耦合光频率来实现不同频率电磁波信号测量，但是受限于耦合光调频范围，所能够测量的电磁场范围也十分有限。针对该问题，研究人员采用超外差式电磁波接收方法，首先利用波导技术将接收电磁波，然后利用本地振荡器对电磁波信号进行频谱搬移，通过差频的方式拓宽探测电磁波信号的频率范围，但是该方法仍未摆脱传统电子器件中电子热噪声的影响。

发明内容

本发明针对现有里德堡原子电磁波探测方法存在的所能够测量的电磁场范围十分有限、受传统电子器件中电子热噪声影响的问题，提出一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法，为实现全光学测量，从拓宽耦合光调频范围入手，通过引入变形镜作为耦合光激光器谐振腔，通过压电陶瓷控制变形镜形变使得耦合光频率与里德堡原子能级跃迁共振，实现一种高灵敏度、动态范围大、测频范围宽的全光学电磁波探测方式。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提出一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，包括：光电探测器、第一半反半透反射镜、碱金属蒸气室、第二半反半透反射镜、电磁波发射天线、反射镜、耦合光激光器、探测光激光器；所述耦合光激光器的谐振腔采用变形镜作为一侧腔镜，另一侧腔镜采用半反半透凹面反射镜；所述探测光激光器发出探测光，探测光经第二半反半透反射镜反射后进入碱金属蒸气室，然后经第一半反半透反射镜透射入光电探测器；耦合光激光器发出耦合光，耦合光经反射镜、第一半反半透反射镜依次反射后进入碱金属蒸气室，然后通过第二半反半透反射镜透射出去。

进一步地，所述变形镜上设置有压电陶瓷。

进一步地，所述变形镜还可作为探测光激光器的谐振腔的腔镜。

本发明另一方面还提出基于上述一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统的一种里德堡原子电磁波探测方法，包括：

步骤1：驱动压电陶瓷使得变形镜发生形变，通过控制形变量控制耦合光激光器的谐振腔输出耦合光的频率；

步骤2：耦合光从低频到高频扫描，在电磁波发射天线发射的电磁波作用下，观察并记录里德堡原子的电磁诱导透明现象；

步骤3：根据里德堡原子的电磁诱导透明现象量化数据，反算电磁波物理参数。

进一步地，所述里德堡原子包括碱金属原子。

进一步地，所述步骤1中，所述变形镜的形变量、耦合光的频率以及里德堡原子能级跃迁三者一一对应，保证里德堡原子的双激发效率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明从双激发态里德堡原子工作原理出发，通过引入变形镜作为耦合光激光器的腔镜，大范围拓宽耦合光的频率范围，定点定量控制变形镜使得耦合光频率与里德堡原子能级跃迁共振，可实现宽频谱范围、高灵敏度的电磁波探测。

本发明利用变形镜拓宽里德堡原子可探测电磁波频率范围，摆脱传统超外差式等电学手段拓宽可探测频率范围的方法，间接摆脱了电子器件热噪声的影响，提供了一种全光学电磁波探测的技术方案，为实现电磁波超高灵敏度、超宽带宽探测打下基础。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统的架构示意图；

图2为本发明实施例一种里德堡原子电磁波探测方法的基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，包括：光电探测器、第一半反半透反射镜(即图1中半反半透反射镜1)、碱金属蒸气室、第二半反半透反射镜(即图1中半反半透反射镜2)、电磁波发射天线、反射镜、耦合光激光器、探测光激光器；所述耦合光激光器的谐振腔采用变形镜作为一侧腔镜，另一侧腔镜采用半反半透凹面反射镜；所述探测光激光器发出探测光，探测光经第二半反半透反射镜反射后进入碱金属蒸气室，然后经第一半反半透反射镜透射入光电探测器；耦合光激光器发出耦合光，耦合光经反射镜、第一半反半透反射镜依次反射后进入碱金属蒸气室，然后通过第二半反半透反射镜透射出去。

进一步地，所述变形镜上设置有压电陶瓷，通过调节压电陶瓷可以改变耦合光激光器的频率。

进一步地，所述变形镜还可作为探测光激光器的谐振腔的腔镜。

具体地，第一半反半透反射镜的功能为透射探测光、反射耦合光；第二半反半透反射镜的功能为反射探测光、透射耦合光；反射镜用于折转耦合光光路；电磁波发射天线的作用为辐射频率已知的电磁波，用于作用于碱金属蒸气室。

如图2所示，本发明另一方面还提出一种里德堡原子电磁波探测方法，包括：

步骤S101：利用高压变压器驱动变形镜压电陶瓷使得变形镜产生预先设计的形变量，使得输出耦合光的频率与里德堡原子的能级跃迁共振，当有外界电磁场作用于蒸气室时，电磁波对里德堡态能级造成扰动，耦合光蓝移或者红移会出现电磁诱导透明现象；

步骤S102：依序控制变形镜的形变量，使得耦合光从低频到高频扫描，在电磁波作用下，观察并记录里德堡原子的电磁诱导透明现象，记录探测光透过率随耦合光失谐出现的两次峰值(具体通过光电探测器探测得到)；

步骤S103：分析计算不同形变量下里德堡原子的电磁诱导透明现象的量化数据，通过透射峰分裂的间距正比于所施加的电磁波场强的关系计算场强，关系式如下：

其中，P表示电磁波功率；

为普朗克常量；μ_MW是两个里德堡态间的跃迁偶极矩；Q_MW为电磁场的拉比频率，由EIT-AT信号的两个峰值之间的间距决定；

根据不同耦合光频率下的拉比频率、原子的激发态里德堡态|r>、缀饰态|m>，反算电磁波的频率，即单向映射关系f如下式：

ω→f(|r>,|m>,Q_MW) (2)

最终得到电磁波的频率、功率两个物理参数。

进一步地，在步骤S101之前，还包括：搭建如图1所示的基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，探测光、耦合光两束激光相向通过碱金属蒸气室，耦合光谐振腔采用如图1中的带有压电陶瓷的变形镜作为一侧腔镜，另一侧腔镜采用半反半透凹面反射镜。

进一步地，所述里德堡原子包括碱金属原子等类氢原子。

进一步地，所述步骤S101中，所述变形镜的形变量、耦合光的频率以及里德堡原子能级跃迁三者一一对应，保证里德堡原子的双激发效率。

具体地，步骤S102和步骤S103中的电磁诱导透明现象指的是在有无外场作用时两种状态下，不同耦合光频率下，里德堡原子表现出来的探测光信号强弱的变化，通过量化该变化可以分析计算外场电磁波信号的物理参数。

综上，本发明从双激发态里德堡原子工作原理出发，通过引入变形镜作为耦合光激光器的腔镜，大范围拓宽耦合光的频率范围，定点定量控制变形镜使得耦合光频率与里德堡原子能级跃迁共振，可实现宽频谱范围、高灵敏度的电磁波探测。

本发明利用变形镜拓宽里德堡原子可探测电磁波频率范围，摆脱传统超外差式等电学手段拓宽可探测频率范围的方法，间接摆脱了电子器件热噪声的影响，提供了一种全光学电磁波探测的技术方案，为实现电磁波超高灵敏度、超宽带宽探测打下基础。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，其特征在于，包括：光电探测器、第一半反半透反射镜、碱金属蒸气室、第二半反半透反射镜、电磁波发射天线、反射镜、耦合光激光器、探测光激光器；所述耦合光激光器的谐振腔采用变形镜作为一侧腔镜，另一侧腔镜采用半反半透凹面反射镜；所述探测光激光器发出探测光，探测光经第二半反半透反射镜反射后进入碱金属蒸气室，然后经第一半反半透反射镜透射入光电探测器；耦合光激光器发出耦合光，耦合光经反射镜、第一半反半透反射镜依次反射后进入碱金属蒸气室，然后通过第二半反半透反射镜透射出去。

2.根据权利要求1所述的一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，其特征在于，所述变形镜上设置有压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统，其特征在于，所述变形镜还可作为探测光激光器的谐振腔的腔镜。

4.基于权利要求1-3任一所述的一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统的一种里德堡原子电磁波探测方法，其特征在于，包括：

步骤1：驱动压电陶瓷使得变形镜发生形变，通过控制形变量控制耦合光激光器的谐振腔输出耦合光的频率；

步骤2：耦合光从低频到高频扫描，在电磁波发射天线发射的电磁波作用下，观察并记录里德堡原子的电磁诱导透明现象；

步骤3：根据里德堡原子的电磁诱导透明现象量化数据，反算电磁波物理参数。

5.根据权利要求4所述的一种里德堡原子电磁波探测方法，其特征在于，所述里德堡原子包括碱金属原子。

6.根据权利要求4所述的一种里德堡原子电磁波探测方法，其特征在于，所述步骤1中，所述变形镜的形变量、耦合光的频率以及里德堡原子能级跃迁三者一一对应，保证里德堡原子的双激发效率。

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