CN117309768B - 面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹检测技术领域，具体为面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。本发明为了解决现有技术中基于里德堡原子的太赫兹波检测存在检测信号受气室F‑P效应扰动较大的问题，故提供了一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，太赫兹波激发原子气室内部的碱金属原子至里德堡态，进而完成太赫兹波的检测，其中太赫兹波频率为0.1‑0.5 THz，微型原子气室的边长为4～6mm。本发明中的微型原子气室内部电场受到F‑P效应的干扰更微弱，从而提高了太赫兹波检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术领域，具体为面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波。太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱，利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域，因此，太赫兹的研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。
里德堡原子具有高度灵敏的能级结构，其作为太赫兹检测的核心器件，能够对太赫兹波电场的变化做出响应。现有技术中的基于里德堡原子的太赫兹检测存在原子气室内部的电场受F-P效应扰动较大，导致该空间位置电场检测值与真实值误差增大的问题，从而影响太赫兹检测的准确度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中基于里德堡原子气室的太赫兹检测中存在信号受F-P效应扰动较大的问题，故提供了一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，太赫兹波激发微型原子气室内部的碱金属原子，进而完成太赫兹检测，其中，太赫兹波频率为0.1-0.5 THz，微型原子气室的边长为4～6mm。
工作原理：采用有限元仿真软件CTS对不同尺寸（如5mm、10mm）的原子气室的电场分布进行仿真，发现原子气室的边长与波长的比值即D/λ越小，其中心电场分布与空气域的电场分布更接近，原子气室内部电场受到F-P效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高，所以，按照上述仿真分析结果，原子气室的边长D越小，太赫兹检测的准确度越高，但是原子气室的边长D太小，探测光束在气室内部的光程会变短，实际参与反应的碱金属原子的数目就会减少，由于信号强度与原子数目成正比，故原子气室体积减小时，会导致检测信号的信噪比降低，所以经研究以及试验得出，太赫兹波频率为0.1-0.5 THz，原子气室的边长为4～6mm（具体实施时，可采用4mm、5mm、6mm）时，原子气室内部电场受到F-P效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高。
一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，包括如下步骤：1）准备六块其边长均为4～6mm的正方形高硼硅玻璃片；2）在其中一块高硼硅玻璃片的厚度方向开设通孔；3）将六块高硼硅玻璃片采用有机混合液浸泡、冲洗并在冲洗后将其烘干；4）在真空环境下，采用高温键合方法将六块高硼硅玻璃拼接成空心正方体；5）将玻璃管密封同轴固定于通孔；6）将碱金属固体释放块快速通过玻璃管放入空心正方体内，然后再透过玻璃管对空心正方体内以及玻璃管内进行抽真空；7）对玻璃管进行密封熔断；8）将外置的近红外激光器的激光聚焦在碱金属固体释放块上，使得碱金属固体释放块充分挥发至空心正方体内，从而完成微型原子气室的制备。
本发明所产生的有益效果如下：1）本发明采用高温键合技术实现微型原子气室的可控制备，制备出的微型原子气室具有小型化、低成本、高性能的特点，可完成高准确度、宽频带的太赫兹波检测；2）本发明通过减小原子气室的尺寸与太赫兹波的波长比值来减少原子气室内部F-P效应的干扰，同时为避免原子气室的边长过小而导致参与反应的碱金属原子的数目过小，故选取了其边长为4～6mm的微型原子气室，便于与0.1～0.5THz的太赫兹波相匹配，使得微型原子气室内部电场受到F-P效应的干扰更微弱，从而提高太赫兹波检测的准确性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，表示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中的微型原子气室的制备方法流程图；
图2为空气域、5mm的原子气室以及10mm的原子气室的电场分布仿真示意图；
图3为对本发明中的微型原子气室进行验证的差分光路结构图；
图4为碱金属原子能级结构示意图；
图5为非谐振器区太赫兹波作用下的AC-Stark频移示意图。
图中：1-探测光激光器，2-耦合光激光器，3—偏振分光棱镜，4—反射镜，5—第一二色相镜，6—第二二色相镜，7—第三二色相镜，8—差分光电探测器，9—第一微型原子气室，10—第二微型原子气室，11—太赫兹源，12—角锥形喇叭天线，13—碱金属固体释放块。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，太赫兹波激发微型原子气室，进而完成太赫兹检测，其中，太赫兹波频率为0.1-0.5 THz，微型原子气室的边长为4～6mm（具体实施时，可采用4mm、5mm、6mm）。
工作原理：采用有限元仿真软件CTS对不同尺寸（如5mm、10mm）的原子气室的电场分布进行仿真，如图2所示，发现原子气室的边长与波长的比值即D/λ越小，其中心电场分布与空气域的电场分布更接近，原子气室内部电场受到F-P效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高，所以，按照上述仿真分析结果，原子气室的边长D越小，太赫兹检测的准确度越高，而原子气室的边长D太小，探测光束在气室内部的光程会变短，实际参与反应的碱金属原子的数目就会减少，由于信号强度与原子数据成正比，故原子气室体积减小时，会导致检测信号的信噪比降低，所以经研究以及试验得出，太赫兹波频率为0.1-0.5 THz，原子气室的边长为4～6mm时，原子气室内部电场受到F-P效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高。
如图1所示，一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，包括如下步骤：1）准备六块其边长均为4～6mm（具体实施时，可采用4mm、5mm、6mm）的正方形高硼硅玻璃片（六块高硼硅玻璃片均为BOROFLOAT®33玻璃片，其热膨胀系数均为3.25×10-6/K，厚度均为0.5mm，介电常数均为4.53），对六块高硼硅玻璃片进行研磨、抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.05um；2）在其中一块高硼硅玻璃片的厚度方向开设其直径为2.5mm的通孔，将通孔进行研磨抛光；3）将六块高硼硅玻璃片采用主要由丙酮和无水乙醇制成的有机混合液浸泡六小时以上，然后用热、冷去离子水冲洗并在冲洗后将其烘干；4）在温度为1200℃、压力为0 .6Mpa的真空环境下，采用高温键合方法将六块高硼硅玻璃拼接成空心正方体；5）将其直径为2.0mm的玻璃管密封同轴固定于通孔；6）将碱金属固体释放块（具体实施时，碱金属固体释放块为圆柱状且其直径为1mm，长度为0.6mm）快速通过玻璃管放入空心正方体内，然后再透过玻璃管对空心正方体内以及玻璃管内进行抽真空直至空心正方体内的压强小于5×10- 4Pa；7）对玻璃管进行密封熔断；8）将外置的近红外激光器（具体实施时，近红外激光器的激光波长为780-1455nm）的激光聚焦在碱金属固体释放块上，使得碱金属固体释放块充分挥发至空心正方体内，从而完成微型原子气室的制备。
实验验证：按照上述微型原子气室的制备方法制备出一个边长为0.5mm的微型原子气室，将该微型原子气室置于如图3所示的光路实验系统中进行验证，探测光激光器1发射探测光，探测光经过偏振分光棱镜3被分成两束探测光，一束探测光经过反射镜4、第二二色相镜6后直接进入第一微型原子气室9，最终被差分光电探测器8检测，另一束探测光经过第一二色相镜5后进入第二微型原子气室10，耦合光激光器2发射耦合光，经过第三二色相镜7后被反射，在第二微型原子气室10与另一束探测光反向重合传输，从而将第二微型原子气室10内部的原子激发至里德堡态。太赫兹源11输出太赫兹信号，太赫兹源11通过波导接口连接角锥形喇叭天线12，角锥形喇叭天线12发射太赫兹信号，如图4所示，探测光将Cs原子由基态6S1/2激发至中间态6P3/2，耦合光将Cs原子激发至里德堡态34S1/2，太赫兹波将Cs原子激发至第四能级34P3/2，当探测光为852 nm，耦合光在511.461 nm附近进行扫频，太赫兹波频率为0.117 THz，角锥形喇叭天线12距离第一微型原子气室10的距离为10cm，设置太赫兹微波源功率为3.2mw，此时差分光电探测器上的透射峰发生AC-Stark频移，如图5所示，频移量Δf Stark 为2.25 MHz，根据里德堡原子的频移量公式得出太赫兹场强为17.43 V/m，其中，极化率α为148.1MHz·cm2/V2，与理论计算的太赫兹场强的值即17.72V/m较接近（其中ETHz是理论的电场，g是天线的增益因子且其值为23dB，d是角锥形喇叭天线12距离第一微型原子气室10的距离且其值为10cm，P是太赫兹微波源功率且其值为3.2mW，F是通过实验确定的气室扰动因子且其值为1.20），表明上述设计的微型原子气室可以较精确地完成太赫兹检测。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (9)
1.面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，太赫兹波激发微型原子气室内部的碱金属原子至里德堡态，进而完成太赫兹检测，其中，太赫兹波频率为0.1-0.5 THz，微型原子气室的边长为4～6mm，通过减小原子气室的尺寸与太赫兹波的波长比值来减少原子气室内部F-P效应的干扰，同时为避免原子气室的边长过小而导致参与反应的碱金属原子的数目过小，选取其边长为4～6mm的微型原子气室，便于与0.1～0.5THz的太赫兹波相匹配。
2.根据权利要求1所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，所述微型原子气室的制备方法包括如下步骤：1）准备六块其边长均为4～6mm的正方形高硼硅玻璃片；2）在其中一块高硼硅玻璃片的厚度方向开设通孔；3）将六块高硼硅玻璃片采用有机混合液浸泡、冲洗并在冲洗后将其烘干；4）在真空环境下，采用高温键合方法将六块高硼硅玻璃拼接成空心正方体；5）将玻璃管密封同轴固定于通孔；6）将碱金属固体释放块快速通过玻璃管放入空心正方体内，然后再透过玻璃管对空心正方体内以及玻璃管内进行抽真空；7）对玻璃管进行密封熔断；8）将外置的近红外激光器的激光聚焦在碱金属固体释放块上，使得碱金属固体释放块充分挥发至空心正方体内，从而完成微型原子气室的制备。
3.根据权利要求2所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤1）中的六块高硅玻璃片均为BOROFLOAT®33玻璃片，其热膨胀系数均为3.25×10-6/K，厚度均为0.5mm，介电常数均为4.53。
4.根据权利要求3所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤1）中，还需对六块高硼硅玻璃片进行研磨、抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.05um。
5.根据权利要求4所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤2）中，通孔的直径为2.5mm。
6.根据权利要求5所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤2）中，还需将通孔进行研磨抛光。
7.根据权利要求6所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤3）中，浸泡时的有机混合溶液主要由丙酮和无水乙醇制成，冲洗时采用热、冷去离子水冲洗。
8.根据权利要求7所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤5）中的玻璃管的直径为2.0mm。
9.根据权利要求8所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，步骤8）中采用的近红外激光器的激光波长为780-1455nm。
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