CN117665417A - 基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法，测量装置包括原子蒸汽池、第一激光器、第二激光器、第一双向色镜、第二双向色镜、光电探测器，原子蒸汽室包括设置在左右两端的激光透过面、设置在上下两端的密封端面和设置在前后两端的镀膜端面，所述激光透过面、所述密封端面和所述镀膜端面围成蒸汽池腔，所述镀膜端面的内部上设有导电薄膜，使蒸汽池腔的内壁具有不同的通过电阻，从而无法形成等电势层，从而避免因里德堡原子在原子蒸汽池内壁吸附造成电场屏蔽效应，进而影响待测电场的测量。本发明无需在原子蒸汽池内设置金属电极以便待测电场的导入，降低了原子蒸汽池的加工难度和加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及原子光谱领域和精密测量技术领域，尤其涉及一种基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法。
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电磁波的方法，里德堡原子能够通过能级跃迁的方式耦合空间中的电磁波，使电场的强度信息通过量子相干效应传递至光场上，实现电磁波场强的光学读取与探测。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。同时，基于里德堡原子的电场测量方法并不依赖于天线的尺寸效应，是一种极具发展潜力的电场测量手段。
基于里德堡原子的电场接收方式能够将空间电场信息通过与里德堡能级间的共振耦合转换到探测光的变化上，通过电磁感应透明效应和在电场中的Autler-Townes分裂效应、交流Stark效应、原子超外差等技术手段可以精确测量电场强度、相位等信息。
然而，在制备里德堡原子的过程中，里德堡原子会部分发生电离导致原子气室的内壁上附着一些剩余电荷。当原子气在测量kHz量级的低频电场时，受到外界低频电场的作用，原子内壁集聚的剩余电荷会产生极化效应并发生重新排布，形成等电势屏蔽层，阻挡了外界电场与气室内里德堡原子的相互作用，造成测量失败。目前常用的解决方法是在原子气室内设置电极，从而将待测电场通过电极导入原子气室内，这就导致原子气室加工难度和加工成本的增加。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于里德堡原子的低频电场测量装置及方法，避免制备里德堡原子时在气室内产生等电势屏蔽层，影响对低频电场测量装置的测量。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于里德堡原子的低频电场测量装置，包括：
原子蒸汽池，包括设置在左右两端的激光透过面、设置在上下两端的密封端面和设置在前后两端的镀膜端面，所述激光透过面、所述密封端面和所述镀膜端面围成蒸汽池腔，所述镀膜端面的内部上设有导电薄膜；所述蒸汽池腔内装有碱金属蒸汽；
第一激光器和第一双向色镜，设置在所述原子蒸汽池的前端，所述第一激光器用于发射探测光；
第二激光器和第二双向色镜，设置在所述原子蒸汽池的后端，所述第二激光器用于发射耦合光；
所述第一双向色镜反射所述探测光，并透射所述耦合光；所述第二双向色镜反射所述耦合光，并透射所述探测光；所述探测光和所述耦合光经所述激光透过端面在所述原子蒸汽池内反向共线成重合；
光电探测器，设置在所述原子蒸汽池的后端，用于接收通过所述蒸汽池腔的所述探测光。
根据本发明的一个技术方案，所述导电薄膜通过电子束蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或激光脉冲沉积镀附在所述原子蒸汽池的内壁上。
根据本发明的一个技术方案，所述密封端面的内壁经钝化处理呈毛玻璃样。
根据本发明的一个技术方案，所述导电薄膜为ITO薄膜或碳纳米管薄膜。
根据本发明的一个技术方案，还包括示波器，与所述光电探测器连接。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于里德堡原子的低频电场测量装置，用于上述基于里德堡原子的低频电场测量装置，包括以下步骤：
步骤S1、获取探测光的EIT光谱；
步骤S2、通过探测光和耦合光激发原子蒸汽池内的碱金属原子至里德堡态；
步骤S3、向所述原子蒸汽池施加待测电场，直至光电探测器输出稳定的电信号；
步骤S4、根据所述光电探测器输出的电信号和所述探测光的EIT光谱计算所述待测电场的场强大小。
根据本发明的一个技术方案，所述待测电场的场强计算公式为：
其中，ΔfStark为在电场作用下，原子电磁感应透明光谱的位移量，α为原子极化率，其取值与主量子数n7成正比，|E|为施加在里德堡原子上的电场强度。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明提出了一种基于里德堡原子的低频电场测量装置及测量方法，测量装置包括原子蒸汽池、两个双向色镜、第一激光器和第二激光器、光电探测器。本发明，利用探测激光器和第二激光器发出的激光通过两个双向色镜在原子蒸汽池内以反向共线的方式重合，将原子蒸汽池内的碱金属原子激发至里德堡态，利用里德堡原子与外部被测电场耦合产生Stark效应，实现对外部低频电场场强大小的测量。
本发明，原子蒸汽室包括设置在左右两端的激光透过面、设置在上下两端的密封端面和设置在前后两端的镀膜端面，所述激光透过面、所述密封端面和所述镀膜端面围成蒸汽池腔，所述镀膜端面的内部上设有导电薄膜，使蒸汽池腔的内壁具有不同的通过电阻，从而无法形成等电势层，从而避免因里德堡原子在原子蒸汽池内壁吸附造成电场屏蔽效应，进而影响待测电场的测量。本发明无需在原子蒸汽池内设置金属电极以便待测电场的导入，降低了原子蒸汽池的加工难度和加工成本。
本发明，密封端面的内壁经钝化处理呈毛玻璃样，增加了密封端面内壁的粗糙程度，进一步降低了原子蒸汽池内的带电粒子的吸附，进一步阻碍了等电势层的形成，阻碍了电场屏蔽效应的产生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明一个实施例中提供的基于里德堡原子的低频电场测量装置的结构示意图；
图2示意性表示根据本发明一个实施例中提供的原子蒸汽池的结构示意图；
图3示意性表示根据本发明一个实施例中提供的密封端面的结构示意图；
图4示意性表示根据本发明一个实施例中提供的镀膜端面的结构示意图。
1、原子蒸汽池；2、第一激光器；3、第一双向色镜；4、第二光激光器；5、第二双向色镜；6、光电探测器；
11、激光透过面；12、密封端面；13、镀膜端面。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
如图1至4所示，本发明提供了一种基于里德堡原子的低频电场测量装置，包括原子蒸汽池1、第一激光器2、第二激光器3、第一双向色镜4、第二双向色镜5和光电探测器6及示波器。
原子蒸汽池1包括设置在左右两端的激光透过面11、设置在上下两端的密封端面12和设置在前后两端的镀膜端面13，激光透过面11、密封端面12和镀膜端面13围成蒸汽池腔，镀膜端面13的内部上设有导电薄膜；蒸汽池腔内装有碱金属蒸汽。导电薄膜通过电子束蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或激光脉冲沉积镀附在原子蒸汽池1的内壁上。导电薄膜为ITO薄膜或碳纳米管薄膜。密封端面12的内壁经钝化处理呈毛玻璃样。
第一激光器2和第一双向色镜3设置在原子蒸汽池1的前端，第二激光器4和第二双向色镜5，设置在原子蒸汽池1的后端。
第一激光器2用于发射探测光。第二激光器4用于发射耦合光。第一激光器2可采用852nm激光器，第二激光器4可采用509nm激光器。通过调整第二激光器4发出的耦合光的波长，可将原子蒸汽池1中的碱金属原子激发到至特定的里德堡能级。
第一双向色镜3反射探测光，并透射耦合光；第二双向色镜5反射耦合光，并透射探测光；探测光和耦合光经激光透过端面在原子蒸汽池1内反向共线成重合。
光电探测器6设置在原子蒸汽池1的后端，用于接收通过蒸汽池腔的探测光。光电探测器6可与示波器连接，通过示波器的显示检测原子激发至里德堡态。
本发明，围成蒸汽池腔的激光透过面11、密封端面12和镀膜端面13的内壁材料不同，使蒸汽池腔的内壁具有不同的通过电阻，从而无法形成等电势层，从而避免因里德堡原子在原子蒸汽池1内壁吸附造成电场屏蔽效应，进而影响待测电场的测量。本发明无需在原子蒸汽池1内设置金属电极以便待测电场的导入，降低了原子蒸汽池1的加工难度和加工成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于里德堡原子的低频电场测量方法，用于上述基于里德堡原子的低频电场测量装置，包括以下步骤：
步骤S1、获取探测光的EIT光谱；
步骤S2、通过探测光和耦合光激发原子蒸汽池1内的碱金属原子至里德堡态；
第一激光器2和第二激光器4分别发出探测光和耦合光，探测光和耦合光分别经第一双向色镜3和第二双向色镜6到达原子蒸汽池1内，与碱金属耦合，将碱金属原子激发至里德堡态。光电探测器6可与示波器连接，通过示波器的显示探测光的EIT光谱，可以检测到原子蒸汽池1内原子激发至里德堡态。
步骤S3、向原子蒸汽池1施加待测电场，直至光电探测器6输出稳定的电信号；
由于原子蒸汽池1包括设置在左右两端的激光透过面11、设置在上下两端的密封端面12和设置在前后两端的镀膜端面13，激光透过面11、密封端面12和镀膜端面13围成蒸汽池腔，镀膜端面13的内部上设有导电薄膜，围成蒸汽池腔的各个端面的材料不同，具有不同的通过电阻，从而阻碍了蒸汽池腔的内壁的等电势层的形成，进而阻碍了静电屏蔽效应的产生。待测电场可直接进入蒸汽池腔内，与里德堡原子耦合。
里德堡原子具有对外场的响应敏感的特性。对原子蒸汽池1施加待测电场，待测电场与里德堡原子耦合，产生Stark效应，使穿过原子蒸汽池1的探测光产生频移。
步骤S4、根据光电探测器6输出的电信号和探测光的EIT光谱计算待测电场的场强大小。
根据本发明的一个技术方案，待测电场的场强计算公式为：
其中，ΔfStark为在电场作用下，原子电磁感应透明光谱的位移量，α为原子极化率，其取值与主量子数n7成正比，|E|为施加在里德堡原子上的电场强度。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (7)
1.一种基于里德堡原子的低频电场测量装置，其特征在于，包括：
原子蒸汽池(1)，包括设置在左右两端的激光透过面(11)、设置在上下两端的密封端面(12)和设置在前后两端的镀膜端面(13)，所述激光透过面(11)、所述密封端面(12)和所述镀膜端面(13)围成蒸汽池腔，所述镀膜端面(13)的内部上设有导电薄膜；所述蒸汽池腔内装有碱金属蒸汽；
第一激光器(2)和第一双向色镜(3)，设置在所述原子蒸汽池(1)的前端，所述第一激光器(2)用于发射探测光；
第二激光器(4)和第二双向色镜(5)，设置在所述原子蒸汽池(1)的后端，所述第二激光器(4)用于发射耦合光；
所述第一双向色镜(3)反射所述探测光，并透射所述耦合光；所述第二双向色镜(5)反射所述耦合光，并透射所述探测光；所述探测光和所述耦合光经所述激光透过端面在所述原子蒸汽池(1)内反向共线成重合；
光电探测器(6)，设置在所述原子蒸汽池(1)的后端，用于接收通过所述蒸汽池腔的所述探测光。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的低频电场测量装置，其特征在于，所述导电薄膜通过电子束蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或激光脉冲沉积镀附在所述原子蒸汽池(1)的内壁上。
3.根据权利要求2所述的基于里德堡原子的低频电场测量装置，其特征在于，所述密封端面(12)的内壁经钝化处理呈毛玻璃样。
4.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的低频电场测量装置，其特征在于，所述导电薄膜为ITO薄膜或碳纳米管薄膜。
5.根据权利要求4所述的基于里德堡原子的低频电场测量装置，其特征在于，还包括示波器，与所述光电探测器(6)连接。
6.一种利用如权利要求1至5任一项权利要求所述的基于里德堡原子的低频电场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取探测光的EIT光谱；
步骤S2、通过探测光和耦合光激发原子蒸汽池(1)内的碱金属原子至里德堡态；
步骤S3、向所述原子蒸汽池(1)施加待测电场，直至光电探测器(6)输出稳定的电信号；
步骤S4、根据所述光电探测器(6)输出的电信号和所述探测光的EIT光谱计算所述待测电场的场强大小。
7.根据权利要求6所述的基于里德堡原子的低频电场测量方法，其特征在于，所述待测电场的场强计算公式为：
其中，ΔfStark为在电场作用下，原子电磁感应透明光谱的位移量，α为原子极化率，其取值与主量子数n7成正比，|E|为施加在里德堡原子上的电场强度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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