CN116520037A - 一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法及装置，其中，所述方法包括：生成两组极化正交的激光，其中，相同极化方向的探测光与耦合光对应组合，分别通过两组光纤传输，以将碱金属原子气室中的原子从基态激发到里德堡态；基于探测光、耦合光与碱金属原子的相互作用，形成三能级系统的EIT效应，得到EIT信号，其中，选择指定的微波频率，将微波源产生的微波电场加在所述碱金属原子气室上，以使得EIT信号产生劈裂，得到EIT‑AT分裂信号；通过示波器观察两组EIT‑AT分裂信号，并根据两组分裂信号的劈裂峰的左右峰峰值比，确定微波电场极化方向和激光极化方向的夹角范围光。本发明提供的技术方案，能够提高微波电场测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体而言，涉及一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法及装置。
背景技术
2012年，相关技术首次利用里德堡原子EIT和AT分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量。次年，该技术又在微波测量的基础上，进行了微波极化方向的测量。2021年，相关技术基于里德堡原子实现了对射频识别标签近场散射场的矢量测量，通过三峰光谱特征的分析可以实现标签互补角的有效分辨，同时实现了对射频识别标签角度的识别，角度分辨率为1.64°。
但是，以上方法通过一组激光(探测光和耦合光看成一组光)来测量微波的极化方向，并不能完全有效地识别任意极化方向，且实验操作在自由空间中进行，其操作性、抗干扰性以及测试精确度都不太理想。因此，有必要提出一种技术方法，提高微波电场测量的精度。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法及装置，能够通过测量微波极化的具体方向，降低透射峰信号产生的影响，从而提高微波电场测量的精度。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，所述装置包括：
倍频激光器(301)、半导体激光器(302)、双光路原子接收天线(303)、硅雪崩光电探测器(304)、示波器(305)、计算机控制端(306)，所述倍频激光器(301)和所述半导体激光器(302)分别连接于所述双光路原子接收天线(303)的两侧，所述硅雪崩光电探测器(304)用于探测所述双光路原子接收天线(303)的输出信号，并将输出信号输入所述示波器(305)；所述双光路原子接收天线(303)包括碱金属原子气室(401)、探测光尾纤插芯的光纤(402)、探测光渐变折射率透镜(403)、探测光准直套管(404)、探测光保护套管(405)、耦合光尾纤插芯的光纤(406)、耦合光渐变折射率透镜(407)、耦合光准直套管(408)、耦合光保护套管(409)，其中：
所述探测光尾纤插芯的光纤(402)与探测光渐变折射率透镜(403)共同胶固在探测光准直套管(404)内，探测光准直套管(404)胶固在探测光保护套管(405)内，耦合光尾纤插芯的光纤(406)与耦合光渐变折射率透镜(407)共同胶固在耦合光准直套管(408)内，耦合光准直套管(408)胶固在耦合光保护套管(409)内，探测光保护套管(405)与耦合光保护套管(409)分别胶固在碱金属原子气室(401)两侧。
在一个实施方式中，所述碱金属原子气室(401)为充有碱金属单质气体的封闭玻璃泡。
在一个实施方式中，所述探测光尾纤插芯的光纤(402)为单模保偏光纤。
在一个实施方式中，所述耦合光尾纤插芯的光纤(406)为单模光纤。
在一个实施方式中，探测光为852nm的激光，耦合光为509nm的激光。
本发明另一方面还提供了一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法，所述方法包括：
生成两组极化正交的激光，其中，相同极化方向的探测光与耦合光对应组合，分别通过两组光纤传输，以将碱金属原子气室中的原子从基态激发到里德堡态；
基于探测光、耦合光与碱金属原子的相互作用，形成三能级系统的EIT效应，得到EIT信号，其中，选择指定的微波频率，将微波源产生的微波电场加在所述碱金属原子气室上，以使得EIT信号产生劈裂，得到EIT-AT分裂信号；
通过示波器观察两组EIT-AT分裂信号，并根据两组分裂信号的劈裂峰的左右峰峰值比，确定微波电场极化方向和激光极化方向的夹角范围。
在一个实施方式中，微波电场极化方向按照以下公式计算：
将θ、θ′代入球坐标系中得出：
微波电场极化方向的唯一取值，最终确定为即/>
其中，T、T′分别为两组分裂信号的透射峰幅值比值，θ、θ′分别为第一组激光和第二组激光的极化方向与微波电场极化方向的夹角，为方位角。
综上所述，本发明在测量时，双光路原子接收天线优势在于对待测电场干扰小，灵敏度高，并且有两个测量维度，有效地解决了互补角的问题，从而提高了极化特性测量的精度。
附图说明
图1示出了本发明一个实施方式中的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法的步骤示意图；
图2示出了本发明一个实施方式中的原子气室内微波极化和激光极化方向的示意图；
图3示出了本发明一个实施方式中的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置的结构示意图；
图4示出了本发明一个实施方式中的双光路原子接收天线的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3和图4，本发明提供一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，所述装置包括：
倍频激光器301、半导体激光器302、双光路原子接收天线303、硅雪崩光电探测器304、示波器305、计算机控制端306，所述倍频激光器301和所述半导体激光器302分别连接于所述双光路原子接收天线303的两侧，所述硅雪崩光电探测器304用于探测所述双光路原子接收天线303的输出信号，并将输出信号输入所述示波器305；所述双光路原子接收天线303包括碱金属原子气室401、探测光尾纤插芯的光纤402、探测光渐变折射率透镜403、探测光准直套管404、探测光保护套管405、耦合光尾纤插芯的光纤406、耦合光渐变折射率透镜407、耦合光准直套管408、耦合光保护套管409，其中：
所述探测光尾纤插芯的光纤402与探测光渐变折射率透镜403共同胶固在探测光准直套管404内，探测光准直套管404胶固在探测光保护套管405内，耦合光尾纤插芯的光纤406与耦合光渐变折射率透镜407共同胶固在耦合光准直套管408内，耦合光准直套管408胶固在耦合光保护套管409内，探测光保护套管405与耦合光保护套管409分别胶固在碱金属原子气室401两侧。
在一个实施方式中，所述碱金属原子气室401为充有碱金属单质气体的封闭玻璃泡。
在一个实施方式中，所述探测光尾纤插芯的光纤402为单模保偏光纤。
在一个实施方式中，所述耦合光尾纤插芯的光纤406为单模光纤。
在一个实施方式中，探测光为852nm的激光，耦合光为509nm的激光。
在一个具体应用示例中，以铯原子为例，所述倍频激光器产生509nm的耦合光，半导体激光器产生852nm的探测光。硅雪崩光电探测器是一种高灵敏度和低噪声的探测器，非常适用于探测弱光信号。示波器是体型小，性能强，可与计算机端口连接使用，其采样精准方便。计算机控制端是一种基于EIT光谱拟合开发的控制软件，可与示波器连接使用。双光路原子接收天线是一种灵敏度高且非金属无干扰的集成化接收天线。此外，在实际的系统结构中还可以包括微波源和微波天线喇叭，其中，微波源是用来产生特定频率的微波电场，微波天线喇叭是将产生的微波电场在远场区域以平面波发射出去。
两组极化正交的激光，其中相同极化方向的探测光与耦合光对应组合，分别通过两组光纤传输(一组是水平偏振激光，另一组是竖直偏振光)，将铯原子从基态激发到里德堡态。由于探测光、耦合光与铯原子相互作用，形成三能级系统的EIT效应，进而得到EIT信号。将待测微波电场加在原子气室上，EIT信号产生劈裂，得到EIT-AT分裂信号。
例如在图2中，201表示第一组探测光与耦合光，202表示Y轴方向，203表示水平方向的线偏振光，204表示任意方向的微波极化，205表示第二组探测光与耦合光，206表示X轴方向，207表示竖直方向的线偏振光，208表示微波天线喇叭。
两组激光同时在铯原子气室内作用，通过示波器可观察到两组EIT-AT信号，在任意极化角度的微波电场作用下，得到的劈裂信号是EIT和AT信号共存的状态，根据在ΔC＝0处透射峰幅值比(T和T′)的公式，将极化角用透射峰幅值比表示，带入球坐标系中，得到四种取值范围的微波电场极化角。最后再观察两组劈裂峰的右峰与左峰，并用其幅值比例与“1”比较，确定微波在球坐标下的极化方向为
其中，待测微波电场极化方向的计算公式如下：
假设探测光是沿Z轴方向传输，耦合光和探测光反向共线传输，待测微波与两组正交极化激光的夹角分别为θ和θ′，则与激光极化同方向上的电场分量为：
当激光极化方向与线偏的微波电场极化方向存在任意角度时，AT效应与EIT效应并存，ΔC＝0处存在探测光透射峰信号。则：ΔC＝0处的探测光透射峰幅值比值：
由于两组激光在原子气室内同时作用，可得出如下式：
T＝1-cos2θ
T′＝1-cos2θ′
θ、θ′可用T、T′表示为：
将θ、θ′代入球坐标系中可以得出：
在同一微波电场作用下，θ可用表示，通过观察采集的EIT-AT分裂信号，分裂右峰与左峰的幅值比与“1”对比，即可确定微波电场极化方向的唯一取值，最终确定为/>即/>
其中，T、T′分别为两组分裂信号的透射峰幅值比值，θ、θ′分别为第一组激光和第二组激光的极化方向与微波电场极化方向的夹角，为方位角。
可见，本发明提供的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量方法，可以包括图1所示的多个步骤。
S1：生成两组极化正交的激光，其中，相同极化方向的探测光与耦合光对应组合，分别通过两组光纤传输，以将碱金属原子气室中的原子从基态激发到里德堡态；
S2：基于探测光、耦合光与碱金属原子的相互作用，形成三能级系统的EIT效应，得到EIT信号，其中，选择指定的微波频率，将微波源产生的微波电场加在所述碱金属原子气室上，以使得EIT信号产生劈裂，得到EIT-AT分裂信号；
S3：通过示波器观察两组EIT-AT分裂信号，并根据两组分裂信号的劈裂峰的左右峰峰值比，确定微波电场极化方向和激光极化方向的夹角范围。
其中，微波电场极化方向按照以下公式计算：
将θ、θ′代入球坐标系中得出：
微波电场极化方向的唯一取值，最终确定为即/>
其中，T、T′分别为两组分裂信号的透射峰幅值比值，θ、θ′分别为第一组激光和第二组激光的极化方向与微波电场极化方向的夹角，为方位角。
在实际应用中，探测光尾纤插芯的光纤402与探测光渐变折射率透镜403共同胶固在探测光准直套管404内。探测光准直套管胶固在探测光保护套管405内。耦合光尾纤插芯的光纤406与耦合光渐变折射率透镜407共同胶固在耦合光准直套管408内。耦合光准直套管胶固在耦合光保护套管409内。探测光保护套管405与耦合光保护套管409分别胶固在碱金属原子气室401两侧。
以铯原子为例，碱金属原子气室401是由石英材质制作的超高真空原子气室，所述碱金属原子为铯原子。探测光经尾纤插芯的光纤402传输后经探测光渐变折射率透镜403聚焦后射进碱金属原子气室401内，同时耦合光经尾纤插芯的光纤406传输后经耦合光渐变折射率透镜407聚焦后直接入射到碱金属原子气室401内，两束光在碱金属原子气室401内重合且传播方向相反，探测光的作用是将原子从基态激发到激发态，会发生二能级吸收效应；耦合光是将处于激发态的原子激发到里德堡态，从而产生电磁诱导透明窗口，就产生EIT信号。探测光从碱金属原子气室401内出射后耦合进耦合光的光纤内，最终出射再入射到硅雪崩光电探测器304。
综上所述，本发明在测量时，双光路原子接收天线优势在于对待测电场干扰小，灵敏度高，并且有两个测量维度，有效地解决了互补角的问题，从而提高了极化特性测量的精度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，其特征在于，所述装置包括：
倍频激光器(301)、半导体激光器(302)、双光路原子接收天线(303)、硅雪崩光电探测器(304)、示波器(305)、计算机控制端(306)，所述倍频激光器(301)和所述半导体激光器(302)分别连接于所述双光路原子接收天线(303)的两侧，所述硅雪崩光电探测器(304)用于探测所述双光路原子接收天线(303)的输出信号，并将输出信号输入所述示波器(305)；所述双光路原子接收天线(303)包括碱金属原子气室(401)、探测光尾纤插芯的光纤(402)、探测光渐变折射率透镜(403)、探测光准直套管(404)、探测光保护套管(405)、耦合光尾纤插芯的光纤(406)、耦合光渐变折射率透镜(407)、耦合光准直套管(408)、耦合光保护套管(409)，其中：
所述探测光尾纤插芯的光纤(402)与探测光渐变折射率透镜(403)共同胶固在探测光准直套管(404)内，探测光准直套管(404)胶固在探测光保护套管(405)内，耦合光尾纤插芯的光纤(406)与耦合光渐变折射率透镜(407)共同胶固在耦合光准直套管(408)内，耦合光准直套管(408)胶固在耦合光保护套管(409)内，探测光保护套管(405)与耦合光保护套管(409)分别胶固在碱金属原子气室(401)两侧。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，其特征在于，所述碱金属原子气室(401)为充有碱金属单质气体的封闭玻璃泡。
3.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，其特征在于，所述探测光尾纤插芯的光纤(402)为单模保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，其特征在于，所述耦合光尾纤插芯的光纤(406)为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置，其特征在于，探测光为852nm的激光，耦合光为509nm的激光。
6.一种应用于权利要求1至5中任一所述的基于里德堡原子的微波电场极化方向测量装置中的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
生成两组极化正交的激光，其中，相同极化方向的探测光与耦合光对应组合，分别通过两组光纤传输，以将碱金属原子气室中的原子从基态激发到里德堡态；
基于探测光、耦合光与碱金属原子的相互作用，形成三能级系统的EIT效应，得到EIT信号，其中，选择指定的微波频率，将微波源产生的微波电场加在所述碱金属原子气室上，以使得EIT信号产生劈裂，得到EIT-AT分裂信号；
通过示波器观察两组EIT-AT分裂信号，并根据两组分裂信号的劈裂峰的左右峰峰值比，确定微波电场极化方向和激光极化方向的夹角范围。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，微波电场极化方向按照以下公式计算：
将θ、θ′代入球坐标系中得出：
微波电场极化方向的唯一取值，最终确定为即/>
其中，T、T′分别为两组分裂信号的透射峰幅值比值，θ、θ′分别为第一组激光和第二组激光的极化方向与微波电场极化方向的夹角,为方位角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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