CN116047181A - 测量微波场强的装置和测量微波场强的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种测量微波场强的装置和测量微波场强的方法、电子设备及非瞬时性计算机可读存储介质，所述装置包括原子气室，所述原子气室内含有碱金属原子蒸汽；激光单元，配置成发射出激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到里德堡初态，从而生成电磁感应透明信号；多个微波信号源，配置成发射出不同频率的微波场，并辐射到所述原子气室中，以使所述电磁感应透明信号发生变化。根据本申请的实施例，通过引入电四极跃迁微波缀饰里德堡能级，抑制其非均匀展宽从而提高测量灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及微波通信和量子精密测量技术领域，具体而言，涉及一种测量微波场强的装置和测量微波场强的方法、电子设备及非瞬时性计算机可读存储介质。
背景技术
不同于传统金属天线利用电子集体振荡形成的电流感知微波电场的方法，里德堡原子能够通过耦合空间中的微波电场，使电场的强度信息通过量子相干效应传递至光场上，实现微波电场的光学读取与探测，具有测量灵敏度高、可溯源至基本物理常数、抗电磁干扰等优良特性。
基于里德堡原子的测量方法通常包括基于电磁感应透明光谱（EIT）的Autler-Townes分裂（AT分裂）方法、基于EIT共振峰透射方法、以及原子超外差方法等。其中，基于EIT共振峰透射方法适用于待测的微波场强不足以产生AT分裂时使用。在该测量方法中，因为电场强度较小，EIT光谱上无法显示出明显的AT分裂，但是，EIT光谱在电场作用时，会出现明显的透射峰强度下降的现象。因此，可以通过测量EIT透射峰的强度变化来获取电场强度的信息。
现有的利用EIT共振峰透射光谱测量电场强度的方法，为了到达良好的测量效果，一般选用电偶极矩较大的偶极共振跃迁，由于里德堡初态通常为S态或D态，依据原子的偶极跃迁选择定则，参与微波跃迁的两个里德堡能级的轨道量子数不同（通常为S-P耦合，或D-P耦合，D-F耦合），在利用偶极跃迁测量电场强度时，待测微波与这两个相邻的里德堡能级产生相互作用时，微波会使两个共振的里德堡能级发生非均匀展宽，但是在偶极共振跃迁的微波功率所致的里德堡能级展宽中，里德堡初态和末态展宽的效果不同，因此，导致微波与原子的耦合效率降低，进而影响了测量效果。
发明内容
本申请提出一种测量微波场强的装置和测量微波场强的方法、电子设备及非瞬时性计算机可读存储介质，以抑制当微波与相邻的两个里德堡能级产生相互作用时，里德堡能级产生的非均匀展宽。
根据本申请的一方面，提出一种测量微波场强的装置，其特征在于，包括：原子气室，所述原子气室内含有碱金属原子蒸汽；激光单元，配置成发射出激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到里德堡初态，从而生成电磁感应透明信号；多个微波信号源，配置成发射出不同频率的微波场，并辐射到所述原子气室中，以使所述电磁感应透明信号发生变化；其中，所述多个微波信号源包括第一微波信号源和第二微波信号源，所述第一微波信号源配置成发射出第一微波场，以所述第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使所述里德堡初态和所述里德堡末态发生共振；所述第二微波信号源配置成发射出第二微波场，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态或所述里德堡末态产生电四极跃迁，从而抑制所述里德堡初态或所述里德堡末态在发生所述共振时产生的能级非均匀展宽效应。
根据一些实施例，所述里德堡初态和所述里德堡末态为相邻的里德堡能级。
根据一些实施例，所述激光单元包括：第一激光器，配置成发射出第一激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到第一激发态；第二激光器，配置成发射出第二激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从所述第一激发态激发到所述里德堡初态。
根据一些实施例，所述装置还包括第一二向色镜和第二二向色镜，其中：所述第一二向色镜配置成将所述第一激光器发出的第一激光经所述第一二向色镜反射后入射到所述原子气室内；所述第二二向色镜配置成将所述第二激光器发出的第二激光经所述第二二向色镜反射后入射到所述原子气室内，其中，所述第一激光和所述第二激光在所述原子气室内基本共线。
根据一些实施例，所述碱金属原子为铯原子；所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，所述第一激光将所述铯原子由基态6S1/2激发至第一激发态6P3/2；所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，所述第二激光将所述第一激发态6P3/2激发至里德堡初态，所述里德堡初态包括nS1/2或nP3/2或n’D3/2或nD5/2或(n+1)P3/2或n’S1/2，其中，n为主量子数。
根据一些实施例，所述装置还包括光电探测器，配置成收集所述电磁感应透明信号，并将收集的所述电磁感应透明信号转化为电信号。
根据一些实施例，所述装置还包括频谱分析仪器，所述频谱分析仪器用于测量所述电信号的信号强度。
根据一些实施例，所述第一微波信号源将所述调制信号以调幅、调频或调相的方式加载到所述载波上。
根据一些实施例，所述调制信号包括正弦波调制信号、三角波或方波。
根据本申请的一方面，提出一种使用如前任一所述的装置测量微波场强的方法，包括：利用所述激光单元发生出不同频率的激光，从而将所述原子气室中的碱金属原子从基态激发到里德堡初态，以生成电磁感应透明信号；利用所述第一微波信号源发射出第一微波场，以所述第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使所述里德堡初态和所述里德堡末态发生共振；利用所述第二微波信号源发射出第二微波场，并辐射至所述原子气室中，以使所述碱金属原子从里德堡初态或所述里德堡末态产生电四极跃迁微波，从而抑制所述里德堡初态或所述里德堡末态在发生所述共振时产生的能级非均匀展宽效应，以使所述电磁感应透明信号发生变化。
根据一些实施例，所述里德堡初态和所述里德堡末态为相邻的里德堡能级。
根据一些实施例，所述激光单元包括第一激光器和第二激光器，利用所述激光单元发生出不同频率的激光，从而将所述碱金属原子从基态激发到里德堡初态，以生成电磁感应透明信号，包括：通过所述第一激光器发射出第一激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到第一激发态；通过所述第二激光器发射出第二激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从所述第一激发态激发到所述里德堡初态。
根据一些实施例，所述装置还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述方法还包括：通过所述第一二向色镜将所述第一激光器发出的第一激光经所述第一二向色镜反射后入射到所述原子气室内；通过所述第二二向色镜将所述第二激光器发出的第二激光经所述第二二向色镜反射后入射到所述原子气室内，其中，所述第一激光和所述第二激光在所述原子气室内基本共线。
根据一些实施例，所述碱金属原子为铯原子，所述方法进一步包括：通过所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，所述第一激光将所述铯原子由基态6S1/2激发至第一激发态6P3/2；通过所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，所述第二激光将所述第一激发态6P3/2激发至里德堡初态，所述里德堡初态包括nS1/2或nP3/2或n’D3/2或nD5/2或(n+1)P3/2或n’S1/2，其中，n为主量子数。
根据一些实施例，所述装置还包括光电探测器，所述方法进一步包括：通过所述光电探测器收集经过所述电磁感应透明信号，并将收集的所述电磁感应透明信号转化为电信号。
根据一些实施例，所述装置还包括频谱分析仪器，所述方法进一步包括：通过所述频谱分析仪器测量所述电信号的信号强度。
根据一些实施例，所述方法进一步包括：将所述调制信号以调幅、调频或调相的方式加载到所述载波上。
根据一些实施例，所述调制信号包括正弦波调制信号、三角波或方波。
根据本申请的实施例，通过引入四极跃迁微波缀饰里德堡能级，从而抑制其非均匀展宽以提高测量灵敏度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其他目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的装置框图。
图2示出根据本申请示例实施例的另一种测量微波场强的装置框图。
图3示出根据本申请示例实施例的另一种测量微波场强的装置框图。
图4示出根据本申请示例实施例的另一种测量微波场强的装置框图。
图5示出根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的装置示意图。
图6示出根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的方法流程图。
图7示出根据本申请示例实施例的一种利用原子四极跃迁调控微波测量的工作示意图。
图8示出根据本申请示例实施例的另一种利用原子四极跃迁调控微波测量的工作示意图。
图9示出根据本申请示例实施例的一种利用原子四极跃迁调控微波的测量结果示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或操作等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如前所述，里德堡原子能够通过耦合空间中的微波电场，使电场的强度信息通过量子相干效应传递至光场上，实现微波电场的光学读取与探测，具有测量灵敏度高、可溯源至基本物理常数、抗电磁干扰等优良特性。
在实际测量中，可通过测量EIT透射峰的强度变化来获取电场强度的信息。具体实施过程包括：通过对待测微波场施加一个已知频率的正弦调制信号，通过喇叭天线发射至原子气室，处于里德堡态的原子能够感知发射过来的微波电场，并将电场上的调制信息经过EIT传递到探测光场上，携带了电场信息的探测光最终进入光电探测器，将光学信号转换为电子学信号，通过频谱分析仪，在该正弦调制信号的调制频率处读取信号的强度，从而可换算出待测微波的电场强度大小。这种利用EIT共振峰透射光谱测量电场强度的方法，为了到达良好的测量效果，一般选用电偶极矩较大的微波偶极跃迁。由于里德堡初态通常为S态或D态，依据原子的微波偶极跃迁选择定则，参与微波偶极跃迁的两个里德堡能级的轨道量子数不同（例如，S-P耦合，或D-P耦合，D-F耦合）。在利用微波偶极跃迁测量电场强度时，待测微波与这两个相邻的里德堡能级产生相互作用时，微波会使两个共振的里德堡能级发生非均匀展宽。但是在微波功率所致的里德堡能级展宽中，里德堡初态和末态展宽的效果不同，从而导致微波与原子的耦合效率降低，影响最终的测量效果。
根据本申请的实施例，通过引入电四极跃迁微波缀饰里德堡能级，抑制其非均匀展宽从而提高测量灵敏度。
相比于微波偶极跃迁，电四极跃迁具有较小的跃迁矩，更适合作为调控场，对里德堡能级进行细致地调控。通过电四极微波场的作用，使里德堡初态与末态的能级展宽相匹配，可增强偶极共振的跃迁信号。且本申请利用光学手段作为泵浦方式，相比于电子学测量元件或设备，抗电子干扰能力更好。
在描述本申请的实施例之前，首先对本申请中出现的术语进行解释。
微波缀饰：在原子分子及光物理领域，缀饰态是指原子或分子系统与激光或其他电磁波（例如，微波）相互作用的量子态（例如，里德堡态就是一种人为用激光制备的量子态），可大致理解为一个原子或分子加一个光子或微波光子。
微波偶极跃迁选择定则：要求跃迁前后，其轨道量子数的差值Δ
l = ±1。因此，里德堡初态为S态（
l = 0）时，偶极跃迁的末态为P（
l = 1）态；里德堡初态为D（
l = 2）时，偶极跃迁的末态为P（
l = 1）态或F（
l = 3）态。
电四极跃迁选择定则：要求跃迁前后，其轨道量子数的差值Δ
l = 0，±2。通常，电四极跃迁的跃迁矩比电偶极跃迁矩小3~6个数量级。
EIT（Electromagnetically induced transparency，简称电磁诱导透明），是一种典型的量子相干光学非线性现象，它使介质在吸收线附近的窄光谱范围内透明。它本质上是功率较强的耦合光影响了吸收介质的色散特性，从而使介质对功率较弱的探测光的吸收减少甚至完全透明，允许光通过不透明的原子介质继续传播。
下面结合附图，对根据本申请的具体实施例进行详细说明。
图1示出根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的装置框图，下面以图1为例，对根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的装置进行详细说明。
如图1所示的装置包括原子气室110、激光单元120和多个微波信号源（图中所示的第一微波信号源130和第二微波信号源140）。
其中，原子气室110内含有碱金属原子蒸汽。由于碱金属原子是最外层只有一个价电子的原子，这种原子更易被激发到里德堡态。因此，在本实施例中选择碱金属原子制备里德堡原子。
激光单元120配置成发射出激光到原子气室110内，用以将原子气室110中的碱金属原子从基态激发到里德堡初态，从而生成电磁感应透明信号。
根据一些实施例，激光单元120包括第一激光器和第二激光器。
第一激光器配置成发射出第一激光到原子气室110内，通过第一激光激发金属原子，碱金属原子吸收光量子发生跃迁，从基态跃迁到第一激发态，从而将碱金属原子从基态激发到第一激发态。其中，第一激光的频率与碱金属原子从基态到第一激发态的跃迁频率相等。
第二激光器配置成发射出第二激光到原子气室内，通过第二激光激发处于第一激发态的碱金属原子，使得碱金属原子吸收光量子发生进一步跃迁，从第一激发态跃迁到里德堡初态。其中，第二激光的频率与碱金属原子从第一激发态到里德堡初态的跃迁频率相等。
此时，第一激光器发出的第一激光与第二激光器发出的第二激光在原子气室110内发生双光子共振。里德堡原子具有较大的电偶极矩，对微波场敏感。
多个微波信号源配置成发射出不同频率的微波场，并辐射到原子气室110中，以使所述电磁感应透明信号发生变化。如图1所示，微波信号源包括第一微波信号源130和第二微波信号源140。
第一微波信号源配置成发射出第一微波场，以第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至原子气室110中，以使所述里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使所述里德堡初态和所述里德堡末态发生共振。其中，里德堡初态和里德堡末态为相邻的里德堡态，且第一微波的频率与碱金属原子从里德堡初态到里德堡末态的跃迁频率相等。
第二微波信号源配置成发射出第二微波场，并辐射至原子气室110中，以调控里德堡初态或里德堡末态，从而抑制里德堡初态或里德堡末态在发生共振时产生的能级非均匀展宽效应，以使电磁感应透明信号发生变化。
在具体的实施例中，第一微波信号源发出第一微波场，例如，施加有正弦波调制信号的待测微波场，以使里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使里德堡初态和里德堡末态发生共振。第二微波信号源发出第二微波场，例如，用于缀饰的电四极微波场，用于调控里德堡初态或里德堡末态，抑制里德堡初态和里德堡末态由于共振产生的能级非均匀展宽效应。根据一些实施例，调制信号包括正弦波调制信号、三角波或方波，且调制信号以调幅、调频或调相的方式加载到所述载波上。
此时，里德堡态的原子能够感知发射过来的微波电场，并将电场上的调制信息经过电磁感应透明光谱（EIT光谱）传递到探测光场上。且随着微波场电场强度的增加，EIT光谱的幅值下降，直至分裂成两个峰，也即发生Autler-Townes分裂（AT分裂）。通过测量EIT光谱幅值下降的强度值，可测算出待测微波场的电场强度。
根据图1所示的实施例，通过引入四极跃迁微波缀饰里德堡能级，以抑制其中一个里德堡能级由于共振产生的能级非均匀展宽效应，从而提高了测量微波场电场强度的灵敏度。相比于微波偶极跃迁，本申请提供的引入电四极跃迁微波缀饰里德堡能级的方法具有较小的跃迁矩，更适合作为调控场，对里德堡能级进行细致地调控。通过电四极跃迁微波场的作用，使里德堡初态与末态的能级展宽相匹配，从而增强微波偶极的跃迁信号。且本申请利用光学手段作为泵浦方式，相比于电子学测量元件或设备，抗电子干扰能力更好。
根据一些实施例，图1所示的装置进一步包括第一二向色镜和第二二向色镜，如图2所示，激光单元120包括第一激光器120-1和120-2。如图2所示的第一二向色镜150配置成将第一激光器120-1发出的第一激光经第一二向色镜反射后入射到原子气室110内，第二二向色镜160配置成将第二激光器120-2发出的第二激光经第二二向色镜160反射后入射到原子气室110内，且第一激光和第二激光在原子气室110内基本共线。
根据另一些实施例，图1所示的装置进一步包括光电探测器，如图3所示。其中，光电探测器170配置成收集电磁感应透明信号，并将收集的电磁感应透明信号（也即EIT光谱）转化为电信号。
根据另一些实施例，图1所示的装置进一步包括频谱分析仪器，如图4所示。其中，频谱分析仪器180用于测量光电探测器输出的电信号的信号强度，从而得到待测微波场的电场强度。
在具体的实施例中，如图5所示，第一激光器发出波长为852nm的第一激光，第二激光器发出波长为509nm的第二激光。852nm激光器和509nm激光器分别发出对应波长的激光，经过二向色镜，使两路激光在原子气室中反向共线的方式重合，将原子激发至里德堡初态。根据不同的微波频率，调节509nm激光的波长，使之能够将原子激发至特定的里德堡能级。其中二向色镜1用于反射852nm激光，透射509nm激光；其中二向色镜1用于反射509nm激光，透射852nm激光。微波信号源1发出待测微波，并在待测微波上施加一个调制信号，对其进行强度调制，并辐射至原子气室中，以使碱金属原子从里德堡初态跃迁到里德堡末态，以及以使里德堡初态和里德堡末态产生微波偶极跃迁。其中，里德堡初态和里德堡末态为相邻的里德堡态，且第一微波的频率与碱金属原子从里德堡初态到里德堡末态的跃迁频率相等。微波信号源2发出另一束微波，通过改变其发射强度的大小，调控参与共振的里德堡能级（里德堡初态或里德堡末态）的非均匀展宽效应，使最终获得的信号最大。光电探测器用于收集852nm的探测光，频谱分析仪用于监测待测微波与原子相互作用之后的信号强度。
图6示出根据本申请示例实施例的一种利用如上所述的装置进行测量微波场强的方法流程图，下面以图6为例，对根据本申请示例实施例的一种测量微波场强的方法进行详细说明。
在步骤S601，利用激光单元发生出不同频率的激光，从而将原子气室中的碱金属原子从基态激发到里德堡初态，以生成电磁感应透明信号。
例如，利用第一激光器发出的第一激光，将碱金属原子从基态激发到第一激发态。其中，第一激光的频率与碱金属原子从基态到第一激发态的跃迁频率相等。利用第二激光器发出的第二激光，激发处于第一激发态的碱金属原子，使得碱金属原子吸收光量子发生进一步跃迁，从第一激发态跃迁到里德堡初态。其中，第二激光的频率与碱金属原子从第一激发态到里德堡初态的跃迁频率相等。
在另一些实施例中，在步骤S601中，通过第一二向色镜将第一激光器发出的第一激光经第一二向色镜反射后入射到原子气室内；通过第二二向色镜将第二激光器发出的第二激光经第二二向色镜反射后入射到原子气室内。其中，第一激光和第二激光在原子气室内基本共线。
在步骤S603，利用第一微波信号源发射出第一微波场，以第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至原子气室中，以使碱金属原子从里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使里德堡初态和里德堡末态发生共振。
根据一些实施例，里德堡初态和里德堡末态为相邻的里德堡态，且第一微波的频率与碱金属原子从里德堡初态到里德堡末态的跃迁频率相等。
在步骤S605，利用第二微波信号源发射出第二微波场，并辐射至原子气室中，以使所述碱金属原子从里德堡初态或所述里德堡末态产生电四极跃迁微波，从而抑制所述里德堡初态或所述里德堡末态在发生所述共振时产生的能级非均匀展宽效应，以使所述电磁感应透明信号发生变化。
根据一些实施例，调制信号包括正弦波调制信号、三角波或方波，且调制信号以调幅、调频或调相的方式加载到所述载波上。
在具体的实施例中，图6所示的方法进一步包括通过光电探测器收集电磁感应透明信号，并将收集的所述电磁感应透明信号转化为电信号。以及通过所述频谱分析仪器测量所述电信号的信号强度。
根据一些实施例，原子气室中的碱金属原子为铯原子。在步骤S601中，通过第一激光器发出波长为852nm的第一激光，第一激光将铯原子由基态6S1/2激发至第一激发态6P3/2；以及通过第二激光器发出波长为509nm的第二激光，第二激光将第一激发态6P3/2激发至里德堡初态。其中，多个里德堡初态包括nS1/2或nP3/2或n’D3/2或nD5/2或(n+1)P3/2或n’S1/2，其中，n为主量子数。
图7示出根据本申请示例实施例的一种利用原子四极跃迁调控微波测量的工作示意图，如图7所示，852nm激光将原子由基态6S1/2激发至中间态6P3/2，509nm激光将原子由中间态6P3/2激发至里德堡初态nS1/2，待测的偶极跃迁微波（也即图5中的微波信号源1）将里德堡初态nS1/2激发至里德堡末态nP3/2，并耦合nS1/2与nP3/2。由于nS1/2与nP3/2属于不同的里德堡态。因此对于同一束微波产生的能级展宽也不完全相同。此时，通过引入另外一束微波（也即图5中的微波信号源2），使之与nS1/2发生电四极跃迁效应，通过耦合nS1/2与n’D3/2，调控nS1/2态，抑制其非均匀展宽。
图8示出根据本申请示例实施例的另一种利用原子四极跃迁调控微波测量的工作示意图，如图8所示，以里德堡初态为D态为例，852nm激光将原子由基态6S1/2激发至中间态6P3/2，509nm激光将原子由中间态6P3/2激发至里德堡初态nD5/2。待测的偶极微波（也即图5中的微波信号源1）将里德堡初态nD5/2激发至里德堡末态(n+1)P3/2，并耦合nD5/2与(n+1)P3/2态。电四极跃迁微波（也即图5中的微波信号源2）耦合nD5/2与n’S1/2，以抑制里德堡态的非均匀展宽。
在此需要说明的是，虽然图7和图8只描述了电四极跃迁的微波缀饰里德堡初态的情况，但本申请也可应用于电四极跃迁微波缀饰里德堡末态，例如，nP3/2态。另外，待测微波施加的正弦调制信号也可以替代为方波、三角波或其他已知频率的调制方式。调制方式为了方便在后续的频谱分析仪中读取信号，在此，不对调制方式进行显示，可选择调频或调相方式代替调幅方式。
图9示出根据本申请示例实施例的一种利用原子电四极跃迁调控微波的测量结果示意图，其中，横坐标为四极跃迁的微波的强度变化，纵坐标为待测微波偶极微波的强度变化。如图9所示，偶极跃迁微波的强度保持一致，当电四极微波的强度调节到合适的数值时，偶极跃迁的微波的强度会有明显的提升。此时，证明利用电四极微波缀饰较好的抑制了共振的非均匀展宽，增加了里德堡能级与偶极跃迁微波的耦合效应，进而可以增加利用EIT光谱透射法测量微波场强的灵敏度。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种测量微波场强的装置，其特征在于，包括：
原子气室，所述原子气室内含有碱金属原子蒸汽；
激光单元，配置成发射出激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到里德堡初态，从而生成电磁感应透明信号；
多个微波信号源，配置成发射出不同频率的微波场，并辐射到所述原子气室中，以使所述电磁感应透明信号发生变化；
其中，所述多个微波信号源包括第一微波信号源和第二微波信号源，
所述第一微波信号源配置成发射出第一微波场，以所述第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使所述里德堡初态和所述里德堡末态发生共振；
所述第二微波信号源配置成发射出第二微波场，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态或所述里德堡末态产生电四极跃迁，从而抑制所述里德堡初态或所述里德堡末态在发生所述共振时产生的能级非均匀展宽效应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述里德堡初态和所述里德堡末态为相邻的里德堡能级。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光单元包括：
第一激光器，配置成发射出第一激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到第一激发态；
第二激光器，配置成发射出第二激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从所述第一激发态激发到所述里德堡初态。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一二向色镜和第二二向色镜，其中：
所述第一二向色镜配置成将所述第一激光器发出的第一激光经所述第一二向色镜反射后入射到所述原子气室内；
所述第二二向色镜配置成将所述第二激光器发出的第二激光经所述第二二向色镜反射后入射到所述原子气室内，其中，所述第一激光和所述第二激光在所述原子气室内基本共线。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述碱金属原子为铯原子；
所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，所述第一激光将所述铯原子由基态6S1/2激发至第一激发态6P3/2；
所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，所述第二激光将所述第一激发态6P3/2激发至里德堡初态，所述里德堡初态包括nS1/2或nP3/2或n’D3/2或nD5/2或(n+1)P3/2或n’S1/2，其中，n为主量子数。
6.一种使用如权利要求1-5任一所述的装置测量微波场强的方法，其特征在于，包括：
利用所述激光单元发生出不同频率的激光，从而将所述原子气室中的碱金属原子从基态激发到里德堡初态，以生成电磁感应透明信号；
利用所述第一微波信号源发射出第一微波场，以所述第一微波场作为载波，将调制信号加载到所述载波上，并辐射至所述原子气室中，以使所述里德堡初态发生微波偶极跃迁并跃迁到里德堡末态，以及以使所述里德堡初态和所述里德堡末态发生共振；
利用所述第二微波信号源发射出第二微波场，并辐射至所述原子气室中，以使所述碱金属原子从里德堡初态或所述里德堡末态产生电四极跃迁微波，从而抑制所述里德堡初态或所述里德堡末态在发生所述共振时产生的能级非均匀展宽效应，以使所述电磁感应透明信号发生变化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述里德堡初态和所述里德堡末态为相邻的里德堡能级。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光单元包括第一激光器和第二激光器，利用所述激光单元发生出不同频率的激光，从而将所述碱金属原子从基态激发到里德堡初态，以生成电磁感应透明信号，包括：
通过所述第一激光器发射出第一激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从基态激发到第一激发态；
通过所述第二激光器发射出第二激光到所述原子气室内，用以将所述碱金属原子从所述第一激发态激发到所述里德堡初态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述装置还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述方法还包括：
通过所述第一二向色镜将所述第一激光器发出的第一激光经所述第一二向色镜反射后入射到所述原子气室内；
通过所述第二二向色镜将所述第二激光器发出的第二激光经所述第二二向色镜反射后入射到所述原子气室内，其中，所述第一激光和所述第二激光在所述原子气室内基本共线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碱金属原子为铯原子，所述方法进一步包括：
通过所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，所述第一激光将所述铯原子由基态6S1/2激发至第一激发态6P3/2；
通过所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，所述第二激光将所述第一激发态6P3/2激发至里德堡初态，所述里德堡初态包括nS1/2或nP3/2或n’D3/2或nD5/2或(n+1)P3/2或n’S1/2，其中，n为主量子数。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117871969A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-04-12 | 成都泰格微电子研究所有限责任公司 | 一种结合里德堡原子天线和龙伯透镜的能量导入接收装置 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109067682A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-12-21 | 山西大学 | 一种基于里德堡原子的量子天线调幅波接收装置和方法 |
| CN110401492A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-11-01 | 中国计量科学研究院 | 一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机 |
| US20200233025A1 (en) * | 2019-01-23 | 2020-07-23 | ColdQuanta, Inc. | Microwave sensor using rydberg particles |
| CN113341235A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种测量装置 |
| CN113376449A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-10 | 合肥衡元量子技术有限公司 | 基于里德堡原子的低频微波电场传感器及探测方法 |
| CN114448517A (zh) * | 2020-11-04 | 2022-05-06 | 山西大学 | 一种微波通讯装置及方法 |
| CN114487621A (zh) * | 2022-01-22 | 2022-05-13 | 山西大学 | 一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率电场测量装置和方法 |
| CN115343541A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-15 | 清华大学 | 一种拓展微波测量带宽和灵敏度的方法、存储介质及系统 |
| 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 |
-
2023
- 2023-03-31 CN CN202310330961.8A patent/CN116047181B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109067682A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-12-21 | 山西大学 | 一种基于里德堡原子的量子天线调幅波接收装置和方法 |
| CN110401492A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-11-01 | 中国计量科学研究院 | 一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机 |
| US20200233025A1 (en) * | 2019-01-23 | 2020-07-23 | ColdQuanta, Inc. | Microwave sensor using rydberg particles |
| CN114448517A (zh) * | 2020-11-04 | 2022-05-06 | 山西大学 | 一种微波通讯装置及方法 |
| CN113341235A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种测量装置 |
| CN113376449A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-10 | 合肥衡元量子技术有限公司 | 基于里德堡原子的低频微波电场传感器及探测方法 |
| CN114487621A (zh) * | 2022-01-22 | 2022-05-13 | 山西大学 | 一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率电场测量装置和方法 |
| CN115343541A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-15 | 清华大学 | 一种拓展微波测量带宽和灵敏度的方法、存储介质及系统 |
| 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杜艺杰 等: "基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量", 导航与控制, vol. 21, no. 5 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117871969A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-04-12 | 成都泰格微电子研究所有限责任公司 | 一种结合里德堡原子天线和龙伯透镜的能量导入接收装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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