CN117491747A - 一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法，该系统包括探测激光单元、耦合激光单元和微波感应单元；探测激光单元用于产生探测激光，耦合激光单元用于产生耦合激光；微波感应单元沿着光路依次包括1/4波片、光束偏转棱镜、铷原子气室、第三偏振分光棱镜、第四反射镜、平衡光电探测器以及半反半透镜；探测激光经1/4波片后被光束偏转棱镜分为两束光；一束为参考光，进入铷原子气室后经第三偏振分光棱镜和第四反射镜的反射后进入平衡光电探测器的一个探测区；另一束为信号光，信号光与半反半透镜引入的耦合激光在铷原子气室中重合。本发明通过微波电场共振增强透射法测量外界微波电场强度，提高灵敏度和分辨力。
Description
技术领域
本发明属于量子精密测量技术领域，具体涉及一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法。
背景技术
里德堡原子具有大的电偶极矩，对外部电场十分敏感，利用里德堡原子的电磁诱导透明Autler-Townes分裂效应可将外界电场强度转化为透射峰的分裂值，其分裂的值与电场强度成正比，以此能够实现对微波电场的高精度测量。该方法克服了传统天线和探测器固有的限制，如几何形状、近场干扰和带外干扰，并且可实现微米级的空间分辨率，可扩展性高，可对1-200GHz频段范围内的微波电场实现精确测量。
但是在测量较高频率的微波时，选取的主量子数较小，里德堡原子的电偶极矩较小，因此对外界微波电场的敏感度降低，测量的灵敏度和分辨力都会减弱。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法，解决传统分裂法测量微波电场强度灵敏度和分辨力相对较低的问题，通过微波电场共振增强透射法测量外界微波电场强度，提高灵敏度和分辨力。
本发明所提供的技术方案如下：
一种基于共振增强透射的微波电场测量系统，包括探测激光单元、耦合激光单元和微波感应单元；探测激光单元用于产生探测激光，耦合激光单元用于产生耦合激光；
微波感应单元沿着光路依次包括1/4波片、光束偏转棱镜、铷原子气室、第三偏振分光棱镜、第四反射镜、平衡光电探测器以及半反半透镜；探测激光经1/4波片后被光束偏转棱镜分为两束光；一束为参考光，进入铷原子气室后经第三偏振分光棱镜和第四反射镜的反射后进入平衡光电探测器的一个探测区；另一束为信号光，信号光与半反半透镜引入的耦合激光在铷原子气室中重合；
调节探测激光波长，使得探测激光能量为铷87原子的5S1/2 -5P3/2能级并锁定频率；然后调节耦合激光波长，使得耦合激光能量为铷87原子的5P3/2-nD5/2能级并锁定频率；其中n为主量子数；
对铷原子气室施加与铷87原子能级间距nD5/2-(n+1)P3/2相同频率的微波。
进一步的，探测激光单元沿着探测激光的输入光路依次包括：探测激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一声光调制器、第一凸透镜、第一反射镜、第一光纤耦合器和第一光纤准直器；探测激光器产生探测激光，探测激光经过第一半波片后透过第一偏振分光棱镜后进入第一声光调制器，经过第一声光调制器移频后的激光产生+1级衍射，由于第一凸透镜的焦点位于第一声光调制器的中心位置，因此衍射光经过第一凸透镜后变为平行光而垂直入射到第一反射镜，然后经过第一反射镜的反射而沿着原光路返回到达第一偏振分光棱镜，此时激光经过两次移频；而后经过第一偏振分光棱镜的反射后进入第一光纤耦合器，最终通过第一光纤准直器进入微波感应单元。
进一步的，探测激光器为780纳米窄线宽激光器。
进一步的，耦合激光单元沿着耦合激光的输入光路依次包括：耦合激光器、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第二凸透镜、第二反射镜、第三声光调制器、第三半波片、第三偏振分光棱镜、光电探测器、功率稳定器、第二光纤耦合器和第二光纤准直器；
耦合激光器产生耦合激光，耦合激光经过第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第二凸透镜和第二反射镜后沿着原光路返回；经过两次移频后的耦合激光经过第三声光调制器的移频，然后经过第三半波片和第三偏振分光棱镜后分为两束光，一束光进入光电探测器提供反馈，与功率稳定器相连接后通过控制第三声光调制器来实现耦合激光的功率稳定，功率稳定后的激光进入第二光纤耦合器后通过第二光纤准直器接入到微波感应单元。
进一步的，耦合激光器为480纳米窄线宽激光器。
一种利用上述中任意一项所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统实现的基于共振增强透射的微波电场测量方法，包括以下步骤：
(i)调节探测激光和耦合激光，使得平衡光电探测器的信号最大，记为V0，记录施加微波后平衡光电探测器的信号，记为V1，计算
(ii)原子介质的极化率用以下公式表示：
其中：
σ2＝Δp+kpv+iΓ2/2,
σ3＝Δp+kpv+Δc-kcv+iΓ3/2,
σ4＝Δp+kpv+Δc-kcv+ΔMW+iΓ3/2.
极化率的虚部代表了介质的吸收；kp＝ωp/c和kc＝ωc/c分别是探测激光和耦合激光的波矢，ωp和ωc分别是探测激光和耦合激光的频率，v是原子的速度，c是真空中的光速，i是虚数；μ12是5S1/2-5P3/2之间的偶极矩，ε0是真空介电常数，是约化普朗克常数，N是系统中的原子数密度，Δp、Δc和ΔMW分别表示探测激光、耦合激光和微波电场的失谐；Ωp、Ωc和ΩMW分别表示探测激光、耦合激光和微波电场的拉比频率；Γ2、Γ3和Γ4分别表示5P3/2、nD5/2和(n+1)P3/2的衰减率，/>是原子的最概然速率，kB是玻尔兹曼常数，m是原子的质量，T是系统环境的温度；
(iii)Ωc＝0、ΩMW＝0时，将所有参数代入公式(1)，计算此时χ0的虚部Im[χ0]，其中χ0为无耦合光和微波电场时的原子介质极化率；然后计算出Im[χ1]＝Im[χ0]-αIm[χ0]，其中χ1为第(i)步骤中对应的原子介质极化率；将Im[χ1]代入公式(1)，计算出拉比频率ΩMW1，则电场强度为 为nD5/2-(n+1)P3/2的原子偶极矩。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)降低环境光噪声，提高信噪比，增强了信号的稳定性；
(2)提高测量微波电场强度的灵敏度和分辨力；
(3)传统EIT-AT分裂需要频率扫描找到两个共振峰之间的间距，本发明记录EIT信号强度即可，无需频率扫描。
附图说明
图1是本发明实施例的基于共振增强透射的微波电场测量系统架构图。
图中：01-780纳米窄线宽激光器，02-第一半波片，03-第一偏振分光棱镜，04-第一声光调制器，05-第一凸透镜，06-第一反射镜，07-第一光纤耦合器，08-第一光纤准直器，09-第三反射镜，10-1/4波片，11-光束偏转棱镜，12-铷原子气室，13-第三偏振分光棱镜，14-第四反射镜，15-平衡光电探测器，16-480纳米窄线宽激光器，17-第二半波片，18-第二偏振分光棱镜，19-第二声光调制器，20-第二凸透镜，21-第二反射镜，22-第三声光调制器，23-第三半波片，24-第三偏振分光棱镜，25-光电探测器，26-功率稳定器，27-第二光纤耦合器，28-第二光纤准直器，29-半反半透镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提出了一种基于共振增强透射的微波电场测量系统，以及基于该系统提出了一种测量微波电场的方法。
本发明提出的基于共振增强透射的微波电场测量系统，如图1所示，主要包括三个部分：探测激光单元、耦合激光单元和微波感应单元。沿着探测激光的输入光路，依次为780纳米窄线宽激光器01、第一半波片02、第一偏振分光棱镜03、第一声光调制器04、第一凸透镜05、第一反射镜06、第一光纤耦合器07、第一光纤准直器08。第一光纤准直器输出的探测光进入微波感应单元，沿着光路依次为第三反射镜09、1/4波片10、光束偏转棱镜11、铷原子气室12、第三偏振分光棱镜13、第四反射镜14和平衡光电探测器15。沿着耦合激光的输入光路，依次为480纳米窄线宽激光器16、第二半波片17、第二偏振分光棱镜18、第二声光调制器19、第二凸透镜20、第二反射镜21、第三声光调制器22、第三半波片23、第三偏振分光棱镜24、光电探测器25、功率稳定器26、第二光纤耦合器27、第二光纤准直器28和半反半透镜29。
其中，780纳米窄线宽激光器01产生780纳米激光。第一半波片02改变激光的偏振。第一偏振分光棱镜03反射和透射不同偏振的激光。第一声光调制器04改变激光的频率。第一凸透镜05将激光垂直入射到第一反射镜06。第一反射镜06反射垂直入射的激光。第一光纤耦合器07将激光耦合进光纤。第一光纤准直器08将光纤中的光变为平行光出射。第三反射镜09反射激光。1/4波片10将线偏振的激光变为圆偏振光。光束偏转棱镜11将圆偏振的激光在空间上分为两束线偏振光。铷原子气室12提供里德堡原子。第三偏振分光棱镜13反射和透射不同偏振的激光。第四反射镜14反射激光。平衡光电探测器15将信号光和参考光转化为电信号并做差分运算。480纳米窄线宽激光器16产生480纳米激光。第二半波片17改变激光的偏振。第二偏振分光棱镜18反射和透射不同偏振的激光。第二声光调制器19改变激光的频率。第二凸透镜20将激光垂直入射到反射镜。第二反射镜21反射激光。第三声光调制器22改变激光的频率和强度。第三半波片23改变激光的偏振。第三偏振分光棱镜24反射和透射不同偏振的激光。光电探测器25将光信号转化为电信号。功率稳定器26稳定激光功率。第二光纤耦合器27将激光耦合进光纤。第二光纤准直器28将光纤中的光变为平行光出射。半反半透镜29使耦合激光反射而使探测激光透射。
本发明提出的基于共振增强透射的微波电场测量系统工作流程如下：
(1)打开780纳米窄线宽激光器01产生探测激光，探测激光经过第一半波片02后透过第一偏振分光棱镜03后进入第一声光调制器04，经过第一声光调制器04移频后的激光产生+1级衍射，由于第一凸透镜05的焦点位于第一声光调制器04的中心位置，因此衍射光经过第一凸透镜05后变为平行光而垂直入射到第一反射镜06，然后经过第一反射镜06的反射而沿着原光路返回到达第一偏振分光棱镜3，此时的激光经过了两次移频。而后经过第一偏振分光棱镜03的反射后进入第一光纤耦合器07，最终通过第一光纤准直器08进入微波感应单元。
(2)打开480纳米窄线宽激光器16产生耦合激光，与780纳米激光器类似，耦合激光经过第二半波片17、第二偏振分光棱镜18、第二声光调制器19、第二凸透镜20和第二反射镜21后沿着原光路返回。经过两次移频后的耦合激光经过第三声光调制器22的移频，然后经过第三半波片23和第三偏振分光棱镜24后分为两束光，一束光进入光电探测器25提供反馈，与功率稳定器26相连接后通过控制第三声光调制器22来实现耦合激光的功率稳定，功率稳定后的激光进入第二光纤耦合器27后通过第二光纤准直器28接入到微波感应单元。
(3)在微波感应单元中，探测激光经第三反射镜09和1/4波片10后被光束偏转器11分为两束光。一束为参考光，进入铷原子气室12后经第三偏振分光棱镜13和第四反射镜14的反射后进入平衡光电探测器15的一个探测区；另一束为信号光，信号光与半反半透镜29引入的耦合激光在铷原子气室12中重合。
(4)调节探测激光波长，使得探测激光能量为铷87原子的5S1/2 -5P3/2能级并锁定频率。然后调节耦合激光波长，使得耦合激光能量为铷87原子的5P3/2-nD5/2(n为主量子数)能级并锁定频率。
(5)对铷原子气室12施加与铷87原子能级间距nD5/2-(n+1)P3/2相同频率的微波。
基于本发明提出的一种微波电场测量方法如下所述：
(i)微调第一声光调制器04和第二声光调制器19，使得平衡光电探测器15的信号最大(记为V0)，记录施加微波后平衡光电探测器15的信号(记为V1)，计算
(ii)原子介质的极化率可用以下公式表示：
其中
σ2＝Δp+kpv+iΓ2/2,
σ3＝Δp+kpv+Δc-kcv+iΓ3/2,
σ4＝Δp+kpv+Δc-kcv+ΔMW+iΓ3/2.
极化率的虚部代表了介质的吸收。kp＝ωp/c和kc＝ωc/c分别是探测光和耦合光的波矢，ωp和ωc分别是探测光和耦合光的频率，v是原子的速度，c是真空中的光速。μ12是5S1/2-5P3/2之间的偶极矩，ε0是真空介电常数，是约化普朗克常数，N是系统中的原子数密度，Δp、Δc和ΔMW分别表示探测光、耦合光和微波电场的失谐。Ωp、Ωc和ΩMW分别表示探测光、耦合光和微波电场的拉比频率。Γ2、Γ3和Γ4分别表示5P3/2、nD5/2和(n+1)P3/2的衰减率，是原子的最概然速率，kB是玻尔兹曼常数，m是原子的质量，T是系统环境的温度。
(iii)Ωc＝0、ΩMW＝0时，将所有参数代入公式(1)，计算此时χ0的虚部Im[χ0]，其中χ0为无耦合光和微波电场时的原子介质极化率；然后计算出Im[χ1]＝Im[χ0]-αIm[χ0]，其中χ1为第(i)步骤中对应的原子介质极化率。将Im[χ1]代入公式(1)，计算出拉比频率ΩMW1，则电场强度为 为nD5/2-(n+1)P3/2的原子偶极矩。
综上所述，本发明提供了一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法，降低环境光噪声，提高信噪比，增强了信号的稳定性；提高测量微波电场强度的灵敏度和分辨力；此外传统EIT-AT分裂需要频率扫描找到两个共振峰之间的间距，本发明记录EIT信号强度即可，无需频率扫描。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于共振增强透射的微波电场测量系统，其特征在于，包括探测激光单元、耦合激光单元和微波感应单元；探测激光单元用于产生探测激光，耦合激光单元用于产生耦合激光；
微波感应单元沿着光路依次包括1/4波片、光束偏转棱镜、铷原子气室、第三偏振分光棱镜、第四反射镜、平衡光电探测器以及半反半透镜；探测激光经1/4波片后被光束偏转棱镜分为两束光；一束为参考光，进入铷原子气室后经第三偏振分光棱镜和第四反射镜的反射后进入平衡光电探测器的一个探测区；另一束为信号光，信号光与半反半透镜引入的耦合激光在铷原子气室中重合；
调节探测激光波长，使得探测激光能量为铷87原子的5S1/2-5P3/2能级并锁定频率；然后调节耦合激光波长，使得耦合激光能量为铷87原子的5P3/2-nD5/2能级并锁定频率；其中n为主量子数；
对铷原子气室施加与铷87原子能级间距nD5/2-(n+1)P3/2相同频率的微波。
2.根据权利要求1所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统，其特征在于，探测激光单元沿着探测激光的输入光路依次包括：探测激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一声光调制器、第一凸透镜、第一反射镜、第一光纤耦合器和第一光纤准直器；探测激光器产生探测激光，探测激光经过第一半波片后透过第一偏振分光棱镜后进入第一声光调制器，经过第一声光调制器移频后的激光产生+1级衍射，由于第一凸透镜的焦点位于第一声光调制器的中心位置，因此衍射光经过第一凸透镜后变为平行光而垂直入射到第一反射镜，然后经过第一反射镜的反射而沿着原光路返回到达第一偏振分光棱镜，此时激光经过两次移频；而后经过第一偏振分光棱镜的反射后进入第一光纤耦合器，最终通过第一光纤准直器进入微波感应单元。
3.根据权利要求2所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统，其特征在于，探测激光器为780纳米窄线宽激光器。
4.根据权利要求1所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统，其特征在于，耦合激光单元沿着耦合激光的输入光路依次包括：耦合激光器、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第二凸透镜、第二反射镜、第三声光调制器、第三半波片、第三偏振分光棱镜、光电探测器、功率稳定器、第二光纤耦合器和第二光纤准直器；
耦合激光器产生耦合激光，耦合激光经过第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第二凸透镜和第二反射镜后沿着原光路返回；经过两次移频后的耦合激光经过第三声光调制器的移频，然后经过第三半波片和第三偏振分光棱镜后分为两束光，一束光进入光电探测器提供反馈，与功率稳定器相连接后通过控制第三声光调制器来实现耦合激光的功率稳定，功率稳定后的激光进入第二光纤耦合器后通过第二光纤准直器接入到微波感应单元。
5.根据权利要求4所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统，其特征在于，耦合激光器为480纳米窄线宽激光器。
6.一种利用权利要求1至5中任意一项所述的基于共振增强透射的微波电场测量系统实现的基于共振增强透射的微波电场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(i)调节探测激光和耦合激光，使得平衡光电探测器的信号最大，记为V0，记录施加微波后平衡光电探测器的信号，记为V1，计算
(ii)原子介质的极化率用以下公式表示：
其中：
σ2＝Δp+kpv+iΓ2/2,
σ3＝Δp+kpv+Δc-kcv+iΓ3/2,
σ4＝Δp+kpv+Δc-kcv+ΔMW+iΓ3/2.
极化率的虚部代表了介质的吸收；kp＝ωp/c和kc＝ωc/c分别是探测激光和耦合激光的波矢，ωp和ωc分别是探测激光和耦合激光的频率，v是原子的速度，c是真空中的光速，i是虚数；μ12是5S1/2-5P3/2之间的偶极矩，ε0是真空介电常数，是约化普朗克常数，N是系统中的原子数密度，Δp、Δc和ΔMW分别表示探测激光、耦合激光和微波电场的失谐；Ωp、Ωc和ΩMW分别表示探测激光、耦合激光和微波电场的拉比频率；Γ2、Γ3和Γ4分别表示5P3/2、nD5/2和(n+1)P3/2的衰减率，/>是原子的最概然速率，kB是玻尔兹曼常数，m是原子的质量，T是系统环境的温度；
(iii)Ωc＝0、ΩMW＝0时，将所有参数代入公式(1)，计算此时χ0的虚部Im[χ0]，其中χ0为无耦合光和微波电场时的原子介质极化率；然后计算出Im[χ1]＝Im[χ0]-αIm[χ0]，其中χ1为第(i)步骤中对应的原子介质极化率；将Im[χ1]代入公式(1)，计算出拉比频率ΩMW1，则电场强度为 为nD5/2-(n+1)P3/2的原子偶极矩。
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| CN202311423053.XA CN117491747A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法 |
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| CN202311423053.XA CN117491747A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种基于共振增强透射的微波电场测量系统及其测量方法 |
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2023
- 2023-10-27 CN CN202311423053.XA patent/CN117491747A/zh active Pending
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