CN116261668A - 基于里德堡分子的微波方向测定 - Google Patents

Abstract

探测激光射束使得分子从基态跃迁到激发态。控制激光射束使得处于激发态的分子跃迁到激光诱导的里德堡态。微波透镜将微波波阵面转换成相应的微波射束。所述微波射束通过分子反向传播，从而产生交替最大值和最小值的微波干涉图案。所述微波干涉图案作为探测透射图案被施加在所述探测射束上。所述微波波阵面的传播方向可以从所述探测透射图案的平移位置来确定；所述微波波阵面的强度可以通过所述探测透射图案的最小值与最大值之间的强度差来确定。

Description

基于里德堡分子的微波方向测定

对其他申请的交叉引用

本申请要求2020年7月6日提交的题为“RYDBERG-ATOM-BASED MICROWAVEDIRECTION FINDING”的第63/048,302号美国临时专利申请和2020年9月15日提交的题为“RYDBERG-MOLECULE-BASED MICROWAVE DIRECTION FINDING”的第17/021,033号美国专利申请的优先权，这两个专利申请都出于所有目的通过引用并入本文中。

背景技术

微波具有许多应用，包括点对点通信链路、卫星和航天器通信、远程感测、射电天文学、雷达和医学成像中的那些应用。本文中广义地定义的“微波”涵盖了具有一米波长(对应于300兆赫(MHz)的频率)下至100微米波长(对应于三太赫(THz)的频率)的电磁辐射；换句话说，本文中定义的“微波”涵盖了由国际电信联盟(ITU)定义的特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)(也被称为“毫米波”)以及至高频(THF)频率范围。

在许多微波应用中，确定接收到的微波波阵面(wavefront)的传播方向和电场强度可能是重要的。在本文中，“微波波阵面”指代传播的微波场或场分量，该微波场或场分量可以由以下两项的组合来表征：1)对应于波阵面的取向的传播方向；以及2)对应于波阵面的强度的电场强度。如果微波波阵面是承载信息的，则它有资格作为微波信号。例如，表征承载信息的微波信号的方向和强度可以用于定位其发射器，例如以便对接收器的天线进行定向或者用于地理定位目的。虽然微波传感器已经使用多种技术来实现，但是性能已经受到灵敏度不足所限制。所需要的是一种在方向和强度测量方面提供更高灵敏度的微波感测方法。

附图说明

图1是基于里德堡原子的微波方向测定仪(direction finder)的示意图。

图2是适用于图1的微波方向测定仪的原子激发能级(excitation level)的示图。

图3是当微波辐射开启对比关闭时的作为探测失谐(probe detuning)的函数的探测透射强度(probe transmission intensity)的曲线图。

图4是图1中的基于里德堡原子的微波方向测定仪的更详细示意图。

图5是微波方向测定过程的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于里德堡分子的微波方向测定仪(MDF)，其采用无源相关性干涉测量法(passive correlative interferometry)来实现高灵敏度、高角度分辨率、宽调谐(tuning)带宽、以及带内和带外选择性滤波。在本文中，“分子”指代物质中的保留了该物质的所有性质的最小粒子，并且由一个或多个原子组成；该定义——其是在韦氏词典(Merriam Webster Dictionary)中阐述的——涵盖了单原子(单个原子)分子和多原子分子。因此，气相碱(gas-phase alkali)(例如钾、铷和铯)原子有资格作为该定义下的分子。本文中未使用的是IUPAC Gold Book中阐述的替代的且更具限制性的定义：“由多于一个原子组成的电中性实体”。

探测激光(probe laser)使得处于基态的分子跃迁(transition)到激发态，并且控制激光使得处于激发态的分子跃迁到激光诱导的里德堡态。微波透镜将微波波阵面转换成相应的微波射束。微波射束通过所述分子反向传播(counter-propagate)，使得它们干涉以建立交替的最大和最小微波强度的微波干涉图案。在微波波阵面具有正确的频率以使得分子从激光诱导的里德堡态跃迁到微波诱导的里德堡态的情况下，微波干涉图案导致了对应的探测透射图案，该探测透射图案可以被相机捕获。探测透射图案的位置指示接收到的微波波阵面的方向，而最小和最大探测透射强度可以用于确定微波波阵面强度。

相对于使用天线来将入射微波转换成电信号——方向确定基于该电信号——的方向测定系统，基于里德堡分子的MDF提供了：(1)高灵敏度；(2)选择性带内和带外滤波(由于与里德堡-里德堡跃迁相关联的窄带宽)；(3)高角度分辨率；以及(4)非常宽的微波调谐带宽。实施例提供了～1-1000GHz的频率范围，包括在10GHz和100GHz之间，例如用于交战和火控雷达。

如图1中所示，MDF 100包括微波透镜系统102、包含原子106的超高真空(UHV)单元104、激光系统108、控制器110和分析系统112。替代实施例使用多原子分子来代替原子。激光系统108的控制激光器113输出控制射束114，并且激光系统108的探测激光器115输出探测射束116。控制射束114——也可以被称为“泵浦(pump)”射束或“耦合”射束——可以被调谐以选择对其应用方向测定的不同微波频率。探测射束116被用于捕获与所选微波频率相关联的干涉图案的图像。

激光系统108引导射束114和116通过真空单元104，真空单元104将原子106维持在低于10^-9托(Torr)的压强处。探测射束116使得处于基态的原子跃迁到激发态。如图2的示图200中所示，具有波长λ_p＝780纳米(nm)的探测射束使得铷87原子从基态|1〉5S_1/2202跃迁到5P_3/2的激发态|2〉204。到激发态的跃迁与探测射束的吸收相关联，从而当探测射束离开原子106(图1)时在探测射束的谱中产生吸收峰(或透射谷)。

控制射束114(图1)使得处于激发态204(图2)的原子跃迁到激光诱导的里德堡态206。具有波长λ_c＝480nm的控制射束使得处于激发态|2>204的原子跃迁到28D_5/2的激光诱导的里德堡态|3>206。具有频率Ω_MW＝104.7千兆赫(GHz)的微波辐射使得处于激光诱导的里德堡态206的原子跃迁到微波诱导的里德堡态|4>29P_3/2208。到激光诱导的里德堡态的该跃迁与被称为“电磁诱导透明(缩写为“EIT”)”的现象相关联，该现象被表述为当探测射束离开原子106(图1)时探测射束谱中的透射峰。为了针对不同的微波频率执行方向测定，可以使用不同的控制波长来选择不同的激光诱导的里德堡态，该不同的激光诱导的里德堡态可以具有与期望的不同微波频率相关联的不同的微波诱导的里德堡态。

如图1中所示，微波透镜系统102包括具有相应光轴128和130的微波透镜124和126，光轴128和130彼此平行地布置。在替代实施例中，微波透镜系统包括多于两个微波透镜。具有平行于光轴128和130的传播方向的波阵面同时到达微波透镜114和116。在替代实施例中，具有平行于相应光轴的传播方向的波阵面在不同的时间到达微波透镜。相对于光轴128和130以角度α到达的波阵面132在不同的时间到达微波透镜124和126，从而产生对应于由角度α所表示的传播方向的相位差θ。

微波透镜124和126将入射微波波阵面132转换成相应的微波射束134和136。微波透镜系统102引导微波射束134和136，使得它们通过真空单元104中的原子106反向传播(即，沿着相同路径在相反方向上传播)。反向传播的微波射束134和136在真空单元104内产生微波干涉图案140。

微波干涉图案140包括具有微波强度的交替最大值(峰)和最小值(谷)的空间分布图案。微波辐射引起了从激光诱导的里德堡态到微波诱导的里德堡态的跃迁。该跃迁导致了对由从激发态到激光诱导的里德堡态的跃迁所诱导的EIT的补偿。换句话说，探测透射强度与微波强度负相关。

如图3的曲线图300中所指示并且鉴于这种负相关性，微波最小值对应于最大透射强度，而微波最大值对应于探测射束零失谐时的最小透射强度。因此，微波干涉图案以具有透射强度的最小值和最大值的空间分布图案的形式被施加在探测射束116(图1)上。探测射束透射强度图案由分析系统112的相机142来捕获。

图4的曲线图400中示出了波阵面122的所捕获的探测透射强度图案402。图案402被示为从参考图案404位移，参考图案404对应于当微波波阵面平行于微波透镜的光轴128和130(图1)到达微波透镜时产生的探测透射强度图案。该位移的量对应于波阵面与光轴之间的角度α。因此，微波波阵面122的传播方向可以根据图案402从参考图案404的位移来确定。微波波阵面的强度对应于所捕获的探测透射强度图案402的最大值406与最小值408之间的强度差。

如图4中所示，微波透镜124和126是卡塞格林(Cassegrain)透镜，均包括凹形“盘状物(dish)”反射器410和凸形反射器412。盘状物的直径为30厘米(cm)，并且它们的光轴相距40cm。其他实施例使用不同的间隔(例如相距20cm和120cm之间)、不同尺寸的盘状物(例如10cm和100cm之间)和/或其他类型的微波透镜，例如相控阵透镜，该相控阵透镜包括具有空间上变化的延迟元件的彼此耦合的分离的接收和发射天线。第二对微波透镜可以用于区分沿着正交轴的方向，例如，使得方位(azimuth)和高程(altitude)波阵面分量可以被分辨(resolve)。替代地，这对透镜中的一个可以作为第二对透镜的一部分与第三个透镜一起发挥双重作用(double duty)，以提供额外的方向测定维度。

微波透镜系统102还包括微波中继器414和416。微波中继器414包括微波反射器420和422，微波反射器420和422进行协作以将微波射束134引导至真空单元104中。微波中继器416包括微波反射器424、426和428，微波反射器424、426和428进行协作以将微波射束136引导至真空单元104中，使得射束134和136在真空单元104内反向传播。通常，存在从微波透镜的一些角度相关的“走离(walk-off)”。在所图示的配置中，射束的走离在它们离开透镜时将是在相反方向上的，从而减弱了干涉图案。通过在一个中继器中使用奇数数量的微波镜而不在另一个中继器中使用奇数数量的微波镜，射束中的走离在它们离开中继器时是在相同方向上的，从而得到了更强的干涉图案，并且因此得到了方向测定仪读出的更强的信噪比。

激光系统108(图1)包括分色反射器450和452(图2)，分色反射器450和452用于使得探测射束116和控制射束114通过真空单元106与微波射束134和136沿其反向传播的路径正交地反向传播。分色镜450允许探测射束116直通地(straight through)透射至相机142，并且分色镜450反射控制激光射束114。作为结果，当控制射束114进入真空单元104时，该控制射束114相对于探测射束116反向传播。分色镜452还允许探测射束116直通地透射，而控制激光射束114在穿过真空单元104之后被反射出探测射束路径，并且因此远离探测激光器115(图1)。在替代实施例中，探测射束和控制射束可以通过里德堡单元的相同的壁共同传播到该单元中，或者可以在该单元内以直角或其他角度相交。

使用激光冷却，使得原子106(图1)是“冷”原子，即，它们的温度低于1毫开尔文，例如接近300微开尔文。被冷却至300μK的里德堡原子蒸汽激光实现了与温度无关的微波检测性能，连同改进了相关性信噪比和分辨率，以及消除了技术概念内的多普勒效应。替代实施例使用更高的温度，例如热或室温原子蒸汽单元。

图5中对微波方向测定过程500进行了流程图绘制。在501处，校准MDF。例如，具有已知传播方向和强度的微波波阵面可以被引导至微波透镜。可以确定所得到的探测强度图案相对于参考探测强度图案的位移，使得位移可以被映射到微波传播方向。同样，每个微波波阵面的已知强度可以与探测透射强度图案的最大值和最小值中的差相关联，使得该差可以被映射到微波波阵面强度。该校准过程可以针对感兴趣的多个微波频率中的每一个而重复。

在502处，探测激光射束和控制激光射束可以被引导通过真空单元中的原子，例如碱原子或碱土原子(alkaline-earth atom)。探测激光使得基态原子跃迁到激发态，而控制激光使得处于激发态的原子跃迁到激光诱导的里德堡态。

在503处，微波透镜将微波波阵面转换成相应的微波射束。更精确地，透镜将各种频率的微波转换成射束，但是典型地这些频率中的仅一个导致了方向确定。在所图示的实施例中，一对微波透镜被用于区分在透镜光轴的间隔方向上不同的方向。在其他实施例中，一个或多个附加透镜提供了第二个方向测定维度。

在504处，使微波射束通过原子群体反向传播，从而得到微波干涉图案，该原子群体例如被包含在真空单元内。在505处，将探测激光射束透射通过原子，使得微波干涉图案被施加在探测射束上，以在探测射束离开原子时产生该探测射束的高和低透射率的图案。一般来说，存在对应于各种微波频率的多个干涉图案，但是这些中的大多数不会引起从激光诱导的里德堡态到微波诱导的里德堡态的跃迁，并且因此，对应的微波图案不会被施加在探测射束上。

微波干涉图案的最大值和最小值分别对应于探测透射图案的最小值和最大值的区域。原子跃迁是足够窄的，使得即使信号源是宽带的，干涉图案也始终是可分辨的。当干涉最大值出现在由相机产生的图像上时，所述干涉最大值的相位或位置指示入射信号方向。当需要时，通过选择感兴趣的载波附近的带内频率来解决由于天线旁瓣的存在所致的模糊性，这产生了唯一依赖于角度的干涉的空间偏移。该里德堡检测器方法大大简化了相关性干涉测量法的信号获取和电子处理两者。

在506处，例如通过相机来捕获探测射束透射图案。在507处，分析所捕获的探测透射图案，以确定对应的微波波阵面的传播方向和强度。传播方向是基于探测透射图案的平移位置来确定的，例如相对于对应于同轴微波传播方向的参考位置。微波波阵面的强度是基于所捕获的探测透射图案的最大值与最小值之间的强度差来确定的。这完成了针对单个微波频率的方向(和强度)测定。

在508处，调谐控制射束以改变其波长，这进而改变了处于激发态的原子跃迁到的激光诱导的里德堡态。这进而改变了哪些微波诱导的里德堡态可用作跃迁目标，这确定了哪些微波频率可以被选择作为方向测定的目标。在许多情况下，首先选择期望目标微波频率，并且根据期望目标微波频率来选择控制激光波长。在对于期望目标微波频率不存在合适的控制激光波长的情况下，一些实施例允许改变探测激光波长以提供附加的里德堡跃迁，从该跃迁可以找到针对期望目标微波频率的匹配。一旦控制激光射束频率已经被重新调谐，过程500就通过返回到动作502而迭代。

所图示的实施例实现了以下内容。MDF系统具有-194dBm/Hz的灵敏度(最小可检测信号)，而没有高环境温度降级。从微波角度来看，里德堡原子跃迁是几乎(practically)连续的，并且使用可调谐激光可以实现1-1000GHz的极宽带调谐。任何跃迁频率处的瞬时带宽为大约1MHz，其中滤波器响应具有几乎无限的带外抑制。该带宽在10GHz、30GHz和100GHz处近似相同，并且因此，相对选择性随着微波频率增加而增加；该类型的谱选择性是利用电子滤波器无法实现的。

来自一对接收微波透镜的信号被关联，以提供具有平行光学读出的干涉测量分辨率，即，无需任何有源射频电子器件或信号处理。所提出的系统的基本检测器分辨率跨谱10GHz-100GHz、在-150dBm(分贝毫瓦)的入射功率处小于0.5°。通过增加冷原子云的光学深度，例如通过使用更大或更密集的光学云，可以实现更高的角度分辨率。此外，更大的卡塞格林盘状物孔径可以实现相应更高的角度分辨率。角度分辨率最终受到信噪比所限制，信噪比进而受到目标微波信号的场灵敏度和衍射极限所影响。

在本文中，所有被标记为“现有技术”的技术(如果有的话)被认为是现有技术；所有未被标记为“现有技术”的技术不被认为是现有技术。本发明提供了所说明的实施例、其变型以及对其的修改，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种微波方向测定仪，包括：

激光系统，包括

探测激光器，其提供探测射束，所述探测射束将处于基态的分子跃迁到激发态，以及

控制激光器，其提供控制射束，所述控制射束将处于激发态的分子跃迁到激光诱导的里德堡态；

微波透镜系统，包括将微波波阵面转换成相应微波射束的多个微波透镜，所述微波透镜系统使得所述微波射束中的至少一对通过所述分子反向传播，从而产生微波干涉图案，所述微波干涉图案以探测透射图案的形式被施加在所述探测射束上；以及

分析系统，其基于所述探测透射图案来确定所述微波波阵面的传播方向。

2.根据权利要求1所述的微波方向测定仪，其中所述分析系统基于所述探测透射图案来确定所述微波波阵面的强度。

3.根据权利要求1所述的微波方向测定仪，其中与所述探测透射图案相关联的空间上变化的探测透射强度与关联于所述微波干涉图案的微波强度负相关。

4.根据权利要求1所述的微波方向测定仪，进一步包括控制器，所述控制器通过改变所述控制射束的波长来选择要对其应用方向测定的微波频率。

5.根据权利要求1所述的微波方向测定仪，进一步包括超高真空(UHV)单元，用于将所述分子限制在低于10^-9托的压强下。

6.一种微波方向测定过程，包括：

引导探测激光射束通过分子，以使得处于基态的分子跃迁到激发态；

引导控制激光射束通过所述分子，以使得处于激发态的分子跃迁到激光诱导的里德堡态；

使用包括多个微波透镜的微波透镜系统，所述微波透镜系统将微波波阵面转换成多个微波射束，并且使所述微波射束中的一对通过所述分子反向传播，以将处于激光诱导的里德堡态的分子跃迁到微波诱导的里德堡态；以及

基于所述探测激光射束中的探测透射图案来确定所述微波波阵面的传播方向。

7.根据权利要求11所述的微波方向测定过程，其中所述确定包括：基于所述探测透射图案来确定所述微波波阵面的强度。

8.根据权利要求11所述的微波方向测定过程，其中与所述探测透射图案相关联的空间上变化的探测透射强度与关联于所述微波干涉图案的微波强度负相关。

9.根据权利要求11所述的微波方向测定过程，进一步包括：通过改变所述控制射束的波长来改变要对其应用方向测定的微波频率。

10.根据权利要求11所述的微波方向测定过程，进一步包括：通过超高真空(UHV)单元来限制所述分子。

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