CN216696478U - 一种即插即用接入式三光微波原子传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种即插即用接入式三光微波原子传感器，包括激光光纤输入接口，激光光纤输入接口包括第一激光光纤输入接口、第二激光光纤输入接口和第三激光光纤输入接口，还包括45°镀银反射镜、消偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、长波通分色镜、Rb气室、第二偏振分光棱镜、短波通分色镜以及垂直镀银反射镜。本实用新型将传感器工作所需要的三束激光与传感物理作用部分彻底分离，实现传感器部分的器件化，便于大规模生产与应用；具有防震功能；简化光纤接入的复杂度；降低整个传感器的使用复杂度。
Description
技术领域
本实用新型适用于微波通讯等领域，具体涉及一种即插即用接入式三光微波原子传感器。
背景技术
传统的偶极天线探测方法存在很多缺陷，难以满足特殊条件下的应用。随着人类科技水平的不断进步，特别是近些年来量子测量理论和技术不断发展，人们提出利用里德堡原子对外场的高灵敏响应特性来对微波电场进行探测，如文献 (Sriram,S.,Kingsley,S.A.&Boyd,J.T.Electro-optical sensor for detecting electric fields.US patent5,267,336(1992).)。特别地，里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和较大的跃迁偶极矩,对外部电磁场十分敏感，并且高里德堡态之间的能量间隔覆盖微波频段，里德堡原子与微波电场之间会有强烈的相互作用，这种相互作用已经成为利用里德堡原子作为微波天线的物理基础。近年来，基于里德堡原子的微波电场探测技术也被用于微波通讯方面的研究。由于原子具有丰富的里德堡态能级结构，通过激光调谐选择不同里德堡态，可以实现覆盖100 MHz～500GHz微波电场的灵敏探测。
目前主流的基于里德堡原子的微波传感器都是采用双光里德堡激发方案，并且在实验上已经取得了极高的精度，如文献(Jing M,Hu Y,Ma J,et al.Atomicsuperheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydbergspectroscopy.Nature Physics,2020:1-5.)。在此成熟的方案基础上，国外的科研团队已实现了里德堡原子传感器的仪器化，如文献(Anderson D A,Sapiro R E,Raithel G.Aself-calibrated SI-traceable Rydberg atom-based radio-frequency electricfield probe and measurement instrument.IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2021, PP(99):1-1.)。但是，受限于双光激发方案的系统性缺陷——短波长蓝色激光的获得一般都是基于红外激光倍频而来，导致仪器体积太大，并且难以优化，成本也居高不下。
本实验采用三光里德堡激发方案，目前该方案在实验室中有初步探索进展，如文献(Thaicharoen N,Moore K R,Anderson D A,et al.Electromagnetically inducedtransparency,absorption,and microwave-field sensing in a Rb vapor cell with athree-color all-infrared laser system.Physical Review A,2019,100(6):063427.)。该方案中将双光方案中的短波长激光替换成两束红外波长激光，这样激光器的体积可以大大减小，可实现器件化，成本也大大降低。但是，目前为止，实验室中这套三光激发方案采用对射式构型，导致三束激光光束必须从微波传感器的物理作用腔体两端入射。这种构型导致物理传感部分与激光的接入部分不能分离，大大限制了整体构件的小型化和增加了使用复杂度。
本实用新型是为了满足将来原子传感器领域对微波探测的需求，在原子传感器的诸多特性和实验室成果的基础上，充分考虑简化传感器的使用条件而设计一种即插即用接入式三光微波原子传感器。本实用新型将光学光纤部分与传感物理部分彻底分离，采用通用光纤接入接口与物理系统实现对接，而将激光与原子作用物理部分整体集成在封闭式非金属箱体中，激光通过光纤从箱体的一侧接入，最终传感光信号又从箱体输出，全部光接口位于箱体一侧，从而实现传感部分的小型器件化。这种结构抗干扰能力强，体积小巧，使用便利，可实现微波传感器件化，便于大规模生产和应用；同时也实现原子微波传感器的全部功能，并实现原子微波传感器件化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为了满足将来在原子传感器领域对微波探测的需求，提供一种即插即用接入式三光微波原子传感器。
本实用新型的上述目的通过以下技术手段实现：
一种即插即用接入式三光微波原子传感器，包括激光光纤输入接口，激光光纤输入接口包括第一激光光纤输入接口、第二激光光纤输入接口和第三激光光纤输入接口，经第一激光光纤输入接口入射的第一波长光由45°镀银反射镜反射后依次透射消偏振分光棱镜和第一偏振分光棱镜，经第二激光光纤输入接口入射的第二波长光由第一偏振分光棱镜反射后与透射第一偏振分光棱镜的第一波长光合束形成第一合束光，第一合束光经长波通分色镜反射，自第三激光光纤输入接口输入的第三波长光透射长波通分色镜后与长波通分色镜反射的第一合束光合束形成第二合束光，第二合束光经过Rb气室后，依次经第二偏振分光棱镜反射剔除第二波长光，经短波通分色镜反射剔除第三波长光，剩下的第一波长光经垂直镀银反射镜反射后依次透射短波通分色镜、第二偏振分光棱镜、Rb气室后，再由长波通分色镜反射，再透射第一偏振分光棱镜后经消偏振分光棱镜反射进入光纤耦合镜头，光纤耦合镜头与光纤输出接口连接。
如上所述经第一激光光纤输入接口入射的第一波长光由45°镀银反射镜反射后再入射透射消偏振分光棱镜后的反射光被第二吸收介质板吸收，经第二偏振分光棱镜反射剔除的第二波长光和经短波通分色镜反射剔除的第三波长光被第一吸收介质板吸收。
如上所述激光光纤输入接口固定在非金属外壳的侧壁，非金属顶部盖子盖设在非金属外壳上，45°镀银反射镜、消偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、长波通分色镜、Rb气室、第二偏振分光棱镜、短波通分色镜、垂直镀银反射镜、以及光纤耦合镜头设置在非金属外壳内且分别通过对应的支杆设置在对应的底座上，各个底座固定在光学非金属台面上，光学非金属台面设置在非金属外壳的底面，第一吸收介质板和第二吸收介质板设置在非金属外壳内侧壁。
如上所述光学非金属台面通过橡胶支腿设置在非金属外壳的底面，光学非金属台面的四周与非金属外壳的侧壁之间填充有橡胶。
本实用新型相对于现有技术，具有以下增益效果：
1、本实用新型将传感器工作所需要的三束激光与传感物理作用部分彻底分离，实现传感器部分的器件化，便于大规模生产与应用；
2、本实用新型将实验室中的光学实验平台集成在一个非金属箱体(由非金属外壳和非金属顶部盖子构成)中，从而大大减小体积，并且具有防震功能，作为传感器的一部分不再需要优化，便于使用；
3、本实用新型内部集成部分实现光纤接口的集中化，大大简化光纤接入的复杂度；
4、本实用新型采用通用光纤接入接口技术，实现光与物理传感部分(主要包括Rb气室)的即插即用连接，降低整个传感器的使用复杂度。
附图说明
图1为主体框架的剖面结构示意图；
图2为本实用新型主要光学结构示意图；
图3为本实用新型具体实施方案示意图。
图中：11-非金属外壳；12-非金属顶部盖子；13-激光光纤输入接口；14-橡胶支脚；15-光学非金属台面；161-底座；162-支杆；17-光纤输出接口；131-第一激光光纤输入接口；132-第二激光光纤输入接口；133-第三激光光纤输入接口；221-45°镀银反射镜；222-消偏振分光棱镜；223-第一偏振分光棱镜；224-长波通分色镜；23-Rb气室；25-第二偏振分光棱镜；26-短波通分色镜；27-垂直镀银反射镜；281-第一吸收介质板；282-第二吸收介质板；29-光纤耦合镜头；31-即插即用式三光微波原子传感器；32-载波信号；33-本地场。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施实用新型，下面结合实例对本实用新型作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
一种即插即用接入式三光微波原子传感器，包括激光光纤输入接口13，激光光纤输入接口13包括第一激光光纤输入接口131、第二激光光纤输入接口132 和第三激光光纤输入接口133，经第一激光光纤输入接口131入射的第一波长光由45°镀银反射镜221反射后依次透射消偏振分光棱镜222和第一偏振分光棱镜 223，经第二激光光纤输入接口132入射的第二波长光由第一偏振分光棱镜223 反射后与透射第一偏振分光棱镜223的第一波长光合束形成第一合束光，第一合束光经长波通分色镜224反射，自第三激光光纤输入接口133输入的第三波长光透射长波通分色镜224后与长波通分色镜224反射的第一合束光合束形成第二合束光，第二合束光经过Rb气室23后，依次经第二偏振分光棱镜25反射剔除第二波长光，经短波通分色镜26反射剔除第三波长光，剩下的第一波长光经垂直镀银反射镜27反射后依次透射短波通分色镜26、第二偏振分光棱镜25、Rb气室23后，再由长波通分色镜224反射，再透射第一偏振分光棱镜223后经消偏振分光棱镜222反射进入光纤耦合镜头29，光纤耦合镜头29与光纤输出接口17 连接。
在本实施例中，第一波长光为波长为780nm的红外光，第二波长光为波长为776nm的红外光，第三波长光为波长为1260nm的红外光，激发Rb85原子至 n＝44里德堡态。
激光光纤输入接口13包括第一激光光纤输入接口131、第二激光光纤输入接口132和第三激光光纤输入接口133，分别对应780nm、776nm和1260nm 激光的输入。光束合并模块包括45°镀银反射镜221、消偏振分光棱镜222、第一偏振分光棱镜223和长波通分色镜224，其作用是将从第一激光光纤输入接口131、第二激光光纤输入接口132和第三激光光纤输入接口133输入的三束光合并为一束光。合束后的激光经过镀有增透膜的Rb气室23，然后经过第二偏振分光棱镜25分离出776nm激光，再经过短波通分色镜26分离出1260nm激光，剩下的780nm激光经过垂直镀银反射镜27反射后沿原光路返回，经过消偏振分光棱镜222反射后进入光纤耦合镜头29。光纤耦合镜头29将接收到的光学信号通过光纤输出接口17输出至光电探测器进行转换。
经第一激光光纤输入接口131入射的第一波长光由45°镀银反射镜221反射后再入射透射消偏振分光棱镜222后的反射光被第二吸收介质板282吸收，经第二偏振分光棱镜25反射剔除的第二波长光和经短波通分色镜26反射剔除的第三波长光被第一吸收介质板281吸收。在非金属外壳11和非金属顶部盖子12构成的箱体中的多余光线则由第一吸收介质板281和第二吸收介质板282吸收，以免造成仪器损坏。
激光光纤输入接口13固定在非金属外壳11的侧壁，非金属顶部盖子12盖设在非金属外壳11上，45°镀银反射镜221、消偏振分光棱镜222、第一偏振分光棱镜223、长波通分色镜224、Rb气室23、第二偏振分光棱镜25、短波通分色镜26、垂直镀银反射镜27、以及光纤耦合镜头29设置在非金属外壳11内且分别通过对应的支杆162设置在对应的底座161上，各个底座161固定在光学非金属台面15上，光学非金属台面15设置在非金属外壳11的底面，第一吸收介质板281和第二吸收介质板282设置在非金属外壳11内侧壁。
光学非金属台面15通过橡胶支腿14设置在非金属外壳11的底面，光学非金属台面15的四周与非金属外壳11的侧壁之间填充有橡胶。
在箱体内部，以高密度防震橡胶为材质的橡胶支脚14支撑并固定光学非金属台面15，同时光学非金属台面15也和非金属箱体外壳11连接，这样就构造出一种集成化的防震光学平台。以该集成化的防震光学平台为基础，将各个光学元器件通过底座161和支杆162固定在集成化的防震光学平台上。
图3是本实用新型一种即插即用接入式三光微波原子传感器的两种具体实施方案。第一种实施方案，首先探测光经过光纤与第一激光光纤输入接口131 连接，坠饰光经过光纤与第二激光光纤输入接口132连接，泵浦光经过光纤与第三激光光纤输入接口133连接，然后即插即用式三光微波原子传感器31直接接收载有基带信号的载波信号32，载有基带信号的载波信号32作用于Rb气室23。这种实施方案适用于载波信号32较强，但是基带信号微弱的情形。在这种实施方案下，由于原子微波传感器的“自解调”特性——当载波频率与里德堡能级共振时，原子对探测光的吸收率与基带信号电场变化一致，光纤输出接口17的光学信号由光电探测器接收转换后可直接输出基带信号。第二种实施方案是，首先探测光经过光纤与第一激光光纤输入接口131连接，坠饰光经过光纤与第二激光光纤输入接口132连接，泵浦光经过光纤与第三激光光纤输入接口133连接，然后在即插即用式三光微波原子传感器31本地设置一个较强的本地场33，然后再接收远处传播来的载波信号32，远处传播来的载波信号32作用于Rb气室23，其中本地场33与载波信号32有一个极小的频率差，这种情形适用于载波信号32 功率本身就很小的情形。这种实施方案下，光纤输出接口17的光学信号由光电探测器接收转换后还需要解调电路进行解调才能获得基带信号。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种即插即用接入式三光微波原子传感器，包括激光光纤输入接口(13)，其特征在于，激光光纤输入接口(13)包括第一激光光纤输入接口(131)、第二激光光纤输入接口(132)和第三激光光纤输入接口(133)，经第一激光光纤输入接口(131)入射的第一波长光由45°镀银反射镜(221)反射后依次透射消偏振分光棱镜(222)和第一偏振分光棱镜(223)，经第二激光光纤输入接口(132)入射的第二波长光由第一偏振分光棱镜(223)反射后与透射第一偏振分光棱镜(223)的第一波长光合束形成第一合束光，第一合束光经长波通分色镜(224)反射，自第三激光光纤输入接口(133)输入的第三波长光透射长波通分色镜(224)后与长波通分色镜(224)反射的第一合束光合束形成第二合束光，第二合束光经过Rb气室(23)后，依次经第二偏振分光棱镜(25)反射剔除第二波长光，经短波通分色镜(26)反射剔除第三波长光，剩下的第一波长光经垂直镀银反射镜(27)反射后依次透射短波通分色镜(26)、第二偏振分光棱镜(25)、Rb气室(23)后，再由长波通分色镜(224)反射，再透射第一偏振分光棱镜(223)后经消偏振分光棱镜(222)反射进入光纤耦合镜头(29)，光纤耦合镜头(29)与光纤输出接口(17)连接。
2.根据权利要求1所述的一种即插即用接入式三光微波原子传感器，其特征在于，所述经第一激光光纤输入接口(131)入射的第一波长光由45°镀银反射镜(221)反射后再入射透射消偏振分光棱镜(222)后的反射光被第二吸收介质板(282)吸收，经第二偏振分光棱镜(25)反射剔除的第二波长光和经短波通分色镜(26)反射剔除的第三波长光被第一吸收介质板(281)吸收。
3.根据权利要求2所述的一种即插即用接入式三光微波原子传感器，其特征在于，所述激光光纤输入接口(13)固定在非金属外壳(11)的侧壁，非金属顶部盖子(12)盖设在非金属外壳(11)上，45°镀银反射镜(221)、消偏振分光棱镜(222)、第一偏振分光棱镜(223)、长波通分色镜(224)、Rb气室(23)、第二偏振分光棱镜(25)、短波通分色镜(26)、垂直镀银反射镜(27)、以及光纤耦合镜头(29)设置在非金属外壳(11)内且分别通过对应的支杆(162)设置在对应的底座(161)上，各个底座(161)固定在光学非金属台面(15)上，光学非金属台面(15)设置在非金属外壳(11)的底面，第一吸收介质板(281)和第二吸收介质板(282)设置在非金属外壳(11)内侧壁。
4.根据权利要求3所述的一种即插即用接入式三光微波原子传感器，其特征在于，所述光学非金属台面(15)通过橡胶支腿(14)设置在非金属外壳(11)的底面，光学非金属台面(15)的四周与非金属外壳(11)的侧壁之间填充有橡胶。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116298551A (zh) * | 2023-05-22 | 2023-06-23 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统 |
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2021
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| CN116298551B (zh) * | 2023-05-22 | 2023-08-11 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统 |
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