KR102513482B1 - 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 - Google Patents
원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102513482B1 KR102513482B1 KR1020207020867A KR20207020867A KR102513482B1 KR 102513482 B1 KR102513482 B1 KR 102513482B1 KR 1020207020867 A KR1020207020867 A KR 1020207020867A KR 20207020867 A KR20207020867 A KR 20207020867A KR 102513482 B1 KR102513482 B1 KR 102513482B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- field
- electromagnetic field
- rydberg
- atomic
- delete delete
- Prior art date
Links
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 title claims description 74
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title abstract description 90
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 83
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 52
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 38
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 61
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 50
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 48
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 44
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 15
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 15
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 9
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims description 7
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 16
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 112
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 54
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 27
- 238000002593 electrical impedance tomography Methods 0.000 description 23
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 16
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 11
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 230000004044 response Effects 0.000 description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 5
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 201000009409 embryonal rhabdomyosarcoma Diseases 0.000 description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 5
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 5
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 3
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N Norphytane Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000559 atomic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001675 atomic spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N beryllium copper Chemical compound [Be].[Cu] DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000012631 diagnostic technique Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 238000000883 frequency modulation spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000008570 general process Effects 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000001499 laser induced fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 238000002044 microwave spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000005624 perturbation theories Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
- G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
- G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
- G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
- G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
- G01R29/0885—Sensors; antennas; probes; detectors using optical probes, e.g. electro-optical, luminescent, glow discharge, or optical interferometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
- G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
- G01R29/0892—Details related to signal analysis or treatment; presenting results, e.g. displays; measuring specific signal features other than field strength, e.g. polarisation, field modes, phase, envelope, maximum value
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
전기장을 감지 또는 측정하는 방법 및 장치가 개시된다. 이 방법은 전기장과 공존하는 테스트 볼륨을 차지하는 가스 원자의 리드베르크 상태 분포로의 여기를 수반한다. 적어도 하나의 전자기 방사선의 프로브 빔의 테스트 볼륨을 가로 지르는 경로를 따른 투과는 스펙트럼 특징과 중첩하는 하나 이상의 주파수에서 측정되고, 전기장의 물리적 특징은 스펙트럼 특징의 변화를 기반으로 도출된다. 다양한 실시예에서, 전기장은 다른 전기장과 간섭 관계로 배치될 수 있다. 시간에 따라 변하는 필드 진폭, 주파수, 위상 및 잡음 스펙트럼 분포는 측정될 수 있으므로, AM 및 FM 변조된 필드 및 약 1 테슬라(Tesla)의 전기장도 측정될 수 있다. 이 전기장측정 장치는 프로브 필드 및 검출기 또는 검출기 어레이에 일방적으로 결합될 수 있다.
Description
본 발명은 일부 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)와 미 육군이 수여 한 계약 번호 W911NF-17-C-0007에 따른 정부 지원을 통해 이루어졌다. 정부는 본 발명의 일부 양태에 대한 권리를 가질 수 있다.
본 출원은 2017년 12월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 62/607,034 및 2018년 9월 6일에 출원된 미국 가출원 번호 62/727,764의 우선권을 주장한다. 상기 출원 모두는 참조로서 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 원자 기반 필드 감지 요소 및 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리드베르크(Rydberg) 원자를 사용하여 RF 필드 진폭, 편광, 또는 위상, 변조된 RF 신호, 인코히어런트(incoherent) RF 또는 RF 잡음을 측정, 수신, 또는 이미지화하고, 연속 주파수 RF 필드 검출을 수행하는 요소, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
(일반적으로 n>20의 높은 주양자수를 갖는) 하이-라이잉((high-lying) 리드베르크 상태에서 준 자유 전자를 갖는 원자는 ~n7 및 ~n2와 같은 주양자수 n으로 스케일링되는 큰 극성 및 전기 쌍극자 모멘트를 나타내고, 이는 각각 그들을 전기장에 매우 민감하게 만든다. 본 명세서의 관례에 따르면, 리드베리크 상태가 아닌 원자의 상태는 본 명세서에서 "로우 라잉(low-lying) 상태"로 지칭될 수 있다.
원자 증기에서 리드베르크 상태의 분광 응답을 전기장 측정에 적용하는 개념은 적어도 모하파트라 등의 "전자기 유도 투과를 사용하는 리드베르크 상태", Phys. Rev. Lett. vol 98, 113003(2007)에서 알려졌고, 이는 본 명세서에 참고로서 포함된다. 원자 기반 필드 감지에 관한 이전의 모든 선행 기술은 앤더슨 등의 미국 특허 제9,970,973호의 주제이며, 이는 이하 "앤더슨 '973 특허"라 하며, 본 명세서에 참조로서 포함되고 참조로서 인용된다. 보다 구체적으로, 플로케 법(Floquet method)은, 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 통합된 앤더슨 등의 "상온 리드베르크 원자 가스에서의 두 광자 마이크로파 전이 및 강 전기장 효과", Phys. Rev. A. vol. 90, 043419(2014)에서 볼 수 있는, 증기 셀 실험에서 리드베르크 원자 마이크로파 스펙트럼을 모델링하기 위한 적절한 수단으로 이미 확립되어 있다.
전자기 유도 투과(EIT)는 3-레벨 원자 시스템에서 2 개의 여기 경로가 파괴적으로 간섭하고 프로브 레이저 빔의 투과의 증가를 만들어내는 양자 간섭 프로세스이다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 리드베르크-EIT 캐스케이드 스킴에서, 투과는 지상 및 리드베르크 상태의 코히어런트 중첩에 의해 형성된다. 리드베르크-EIT는 저온 원자 가스 및 상온 증기 셀 모두에서 구현되었다. 리드베르크 스펙트럼, 양자 정보 처리, 약 마이크로파 전기장 및 강 마이크로파 전기장의 측정을 위한 비파괴적 광학 검출 기술로서 널리 사용되고 있다. 증기 셀에서 전극을 사용하는 리드베르크 레벨의 AC 스타크 시프팅(AC Stark shifting)은 바존 등의, "rf-드레스드(dressed) 리드베르크 암흑 상태의 전기장 감도 향상" New J. Phys. vol. 12, 065015(2010)에 서술되어 있고, 이는 본 명세서 참고로서 포함된다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서, 단어 "센서"는 물리량을 검출 또는 측정하는 임의의 장치를 지칭하며, 센서로 또는 센서로부터의 전기 또는 전자기 에너지를 연결하는 배선 또는 도파관 및 센서와 함께 사용되는 컨트롤러 또는 프로세서를 배제할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "단일 센서"는 단일 기판 상에 구현되거나 그것의 구성요소들이 영구적으로 연결되어 단일 물리적 장치를 형성하는 센서를 의미한다. 연결의 예는 미세 가공, 퓨징, 양극 결합 및 접착을 포함한다. 본 발명자들이 아는 한, 모놀리식 리드베르크 센서는 제안된 적이 없다.
그러나, (기준 위상 기준(fiducial phase reference)에 대한) 전기장의 위상을 측정하는데 적합한 지금까지 제안된 리드베르크 분광법은 없다. 그 중 하나에, 아래에 설명되는 본 발명의 실시예들이 다루어진다.
실제 원자-기반 RF 감지, 측정 또는 이미징 장치를 실현하기 위해서는, 적절한 감지 요소가 필요하다. 이전 작업에서 설명되거나 제안된 모든 종래 기술의 감지 요소는 본 발명에 따라 아래에 설명되는 통찰력에 의해 극복된 물리적 원리에 의해 부과된 한계를 가졌다. 종래 기술의 감지 요소는, 예를 들어, 앤더슨 등의 "증기 셀에서 리드베르크 원자를 사용한 강 마이크로파 필드의 광학적 측정", https://arxiv.org/pdf/l60l.02535.pdf, (2016년 1월 11일)에 의해 교시되며, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
원자-기반 전기장 감지의 다른 교시는 고든 등의 "루비듐 리드베르크 원자에서 분할되는 오틀러-타운즈(Autler-Townes) 분할을 통한 밀리미터 파 검출", https://arxiv.org/pdf/l406.2936.pdf, (2014년 6월 11일), 및 시몬스 등의 "리드베르크 원자에서의 전자기 유도 투과 및 오틀러-타운즈 분할을 통한 전기장 측정의 민감도 향상을 위한 주파수 디튜닝(frequency detuning)의 사용"에서 볼 수 있고, 이 두 간행물 모두 본 명세서에 참조로서 포함된다.
기존의 리드베르크 전자기 유도 투과(EIT) 기술의 성능 한계는 다음을 포함한다.
(1) 낮은 감도; 현재까지 입증된 가장 높은 필드 감도는 1mV/m 수준이며, 이는 주로 EIT 선폭에 의해 제한된다. 또한 이 감도 수준은 EIT 피크 라인 형상의 작은 변화를 모니터링해야만 달성되었다. 필드가 기본 상수 및 불변의 원자 파라미터로 추적할 수 있는 리드베르크 에너지 레벨 스피팅(spitting)을 직접 측정하는 것과는 달리, 상세한 EIT 라인 형상 분석을 통해 RF 전기장을 추출하는 것은 레이저 빔 파워 및 증기압과 같은 실험 파라미터에 의존하는 비교적 복잡한 모델을 필요로 하며, 따라서 절대 필드 측정이 불가능하고 일상적인 작업에서 신뢰할 수 없다. 지금까지, 종래 기술에서 가장 민감한 측정 감도로서, 약 
의 샷-노이즈(shot-noise) 제한 감도는 쿠마 등의 "상온 증기 셀에서 주파수 변조 분광법을 이용한 리드베르크-원자 기반 무선 주파수 전기 측정", Opt. Express vol. 25, 284263(21 Jan. 2017)에서 설명되었고, 감도에 비해 절반 정도의 향상이 팬 등의 "무선 주파수 전기장의 리드베르크-원자-기반 측정에 대한 증기 셀 형상의 영향", Phys. Rev. Appl. 044015(2015)에서 이전에 보고되었으며, 이 두 문헌 모두 본 명세서에 참조로서 통합되었다. 후자의 작업은 미세한 변화가 레이저 출력 및 셀 압력과 같은 많은 세부 사항에 의존하기 때문에 일상적인 현장 측정 작업에서 다소 불안정 할 것으로 예상되는 약한 공진 RF 필드에 의한 리드베르크-EIT 라인의 미세 RF 유도 EIT 향상을 활용한다. 감도를 높이기 위한 보다 강력한 수단이 필요하다.
(2) 연속 주파수 범위에 걸친 RF 필드 측정의 불가능성. 약한 RF 필드에서, 이 방법은 리드베르크 상태 간의 쌍극자 허용 트랜지션(transition)과 공진하는 RF 필드의 측정으로 제한된다. 임의의 트랜지션으로부터 공진에서 벗어나는 약한 RF 필드는 쉽게 측정할 수 없다.
(3) RF 편광 측정은 현재 원자 스펙트럼의 복잡한 분석을 필요로 한다.
(4) 모든 종래 기술의 리드베르크-EIT 측정은 필연적으로 필드 진폭 측정이었지만, RF 필드의 위상에 대한 정보는 부분적으로 본 명세서에서 논의된 물리적 제약으로 인해 획득이 불가능하였다.
(5) 현재까지 리드베르크 EIT 측정에 사용된 측정 장치의 폼 팩터는 휴대가 불가능하거나 큰 유전체 설치면적을 갖는 큰 대형 컴포넌트, 어셈블리를 필연적으로 필요로 하며, 그로 인해 많은 실제 애플리케이션에서 측정을 수행할 수 없거나 기존 RF 측정 및 전송 시스템에 통합될 수 없었다.
(6) 아래에서 설명된 본 발명 이전에, 리드베르크 EIT 기술은 코히어런트 필드를 측정하는데만 사용되었다. 종래의 방법은 인코히어런트 필드 또는 잡음을 측정할 수 없었다.
증기 셀에서 리드베르크 EIT를 사용하는 RF 측정 방법은 일반적으로 열 원자 샘플에서 분광 레이저 빔의 도플러 시프트를 고려하기 위해 원자 증기를 통한 레이저 빔의 역-전파를 사용한다. 이 양상은 현재까지 자유 공간 전파 또는 셀의 양쪽의 광섬유를 통해 레이저 빔이 셀로 들어가고 반대쪽에서 셀로부터 빠져나가는 것이 필요하기 때문에, 애플리케이션를 위한 실제 센서 설계에서 증기 셀 내에 리드베르크 EIT를 구현하는데 어려움을 부과하였다. 이것은 측정 어플리케이션에 바람직하지 않은 큰 유전체 설치면적 및 크기를 가진 센서 헤드로 이어질 수 있다. 또한, 다중 픽셀 센서 어레이로의 확장을 위해, 셀의 반대쪽에서의 광학 빔의 진입은 어레이에서 달성 가능한 픽셀 패킹 밀도 및 해상도를 제한시킬 수 있다.
증기 셀로의 단면의 광학 커플링이, 예컨대, 본 명세서에 참조로서 통합된 조지 등의, "루비듐 증기 센서를 통한 펄스형 고 자기장 측정", https://arxiv.org/pdf/l704.00004.pdf, (2017년 3월 31일)에 의해, 원자 자력계의 맥락에서 논의되었으나, 동일하거나 유사한 파장의 입력 및 출력 빔에 대하여 별도의 섬유가 사용된다. 더욱이, 이 종래 기술에서, 프로브 빔은 항상 증기 셀의 한면에 들어가고 다른 면에서 빠져나간다.
관측 가능한 우주에서 대부분의 물질은 플라즈마 상태에 존재하지만, 플라즈마 영역 내에서 전기장의 특성을 측정하거나 추론하는 것은 플라즈마의 집단적 움직임이 관찰되지 않거나 물리적 프로브가 플라즈마 내로 삽입될 수 없는 한 과학적 어려움을 부과한다. 전자의 기술의 예는 폴로이드 회전 속도로부터 추론되는, 토코막(tokomak) 내의 방사형 전기장의 추론이다. 이러한 프로빙 양식 중 하나가 없으면, 원자 프로브가 사용된다는 특정 가정을 만들어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 통합된 파리스 등의 "플라즈마 내 전기장의 척도로서 질소 스펙트럼 밴드의 강도 비", J. Phys. D. vol. 38, pp. 3894-99(2005)에서 논의된 바와 같이, 질소 스펙트럼 밴드의 강도 비율이 사용되는 경우, 계산을 위해서는 질소 분자가 주로 전자 충격에 의해 직접 기저 상태에서부터 여기되어야 한다.
현재까지, 플라즈마 필드 측정을 위한 광학적 진단 기술은 주로 방출 및 흡수 분광법, 레이저 유도 형광법 및 라만 분광법을 통한 플라즈마 분자 내의 스타크 시프트의 측정을 포함한다. 기존의 방법은 수동적 비간섭적 측정을 제공하지만, 이들은 또한 플라즈마 구성 성분의 광 흡수 또는 방출 스펙트럼에 대한 사전 지식을 필요로 할 수 있다. 이로 인해, 진단 판독에서 구성 플라즈마 입자를 포함하는 소수-체 프로세스로부터 관심있는 집단 플라즈마 현상을 구별하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 연구중인 플라즈마 유형에 특정한 진단 도구의 맞춤화(customization)가 필요하며, 이는 상이한 플라즈마 시스템에서 진단을 수행할 수 있는 일반화된 기술을 배제시킨다. 이러한 라인을 따라, 일부 플라즈마는 기존 검출기와 분광계를 사용하여 검출하기 어려운 주파수 및 방출 강도에서 방출 프로파일을 가질 것으로 예상된다. 예를 들어, 플라즈마 구성 성분의 진동적 트랜지션으로 인한 약한 IR 방출은 일부 경우에 유용한 정보를 제공할 수도 있지만, 이러한 약한 IR 강도 수준을 측정하는데 필요한 검출기는 감지기는 쉽게 사용할 수 없다. 이러한 제한으로 인해, 애플리케이션은 잘 특성화된 광학 진단을 구현하기 위해 특정 원자/이온 입자로 플라즈마를 엔지니어링해야 할 수 있다. 이것은 플라즈마의 특성 자체가 연구 대상인 기본적인 플라즈마 연구에서 중요한 단점을 일으킬 수 있다.
전술한 종류에 대한 사전 지식이 항상 이용 가능하지 않은 한, 과학은 플라즈마 내의 전기장의 원격 측정을 위한 보다 보편적인 방식을 기다리고 있다. 이러한 양상은 본 발명의 실시예에 따라 아래에서 상세히 설명된다.
1-100 테슬라 범위의 강한 자기장의 고분해능 감지, 측정 및 보정을 위한 프로브는 다양한 산업에서 강력한 자석 시스템의 연구 개발, 생산 및 유지 관리에서 점점 더 중요해지고 있다. 그러나, 이러한 필드의 측정을 위해 제공된 원자 증기 또는 리드베르크 -EIT 시스템은 없었고, 아래에 설명된 발명에 의해 처음으로 가능해졌다. 이미 실시되고 있는 리드베르크 EIT 분석에 의한 하이퍼프미 레벨의 지만 분할을 사용하고 리드 베르크 원자의 모델을 기반으로 하여 측정될 수 있는 최대 자기장 강도는 최대 -103 가우스이다. 더 강한 자기장을 측정하려면 본 발명에 따라 본 명세서에 설명되는 새로운 전략이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법이 제공된다. 이 방법은:
제 1 전자기장과, 적어도 부분적으로, 공존하는 테스트 볼륨을 차지하는 가스의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 단계;
제 1 전자기장을 적어도 하나의 다른 전자기장과 간섭 관계로 배치함으로써 제 1 전자기장을 구조화하는 단계;
원자 가스의 스펙트럼 특징과 중첩하는 하나 이상의 주파수의 전자기 방사선의 적어도 하나의 프로브 빔의 상기 테스트 볼륨을 가로 지르는 경로를 따른 투과를 측정하는 단계; 및
적어도 스펙트럼 특징의 변화에 기초하여, 제 1 전자기장의 물리적 특성을 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 가스는 원자 증기일 수 있고, 원자 증기의 원자는 루비듐, 세슘, 및 다른 알칼리를 포함하는 원자 그룹으로부터 선택될 수 있다. 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 단계는 원자를 리드베르크 상태의 분포로 광학적으로 여기시키는 단계 및 전자기적으로 유도된 투과 및 전자기적으로 유도된 흡수 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 스펙트럼 특징의 변화는 오틀러-타운즈 분할을 포함할 수 있고, 제 1 전자기장의 물리적 특성은 필드 진폭일 수 있다.
제 1 전자기장은 단색성(monochromatic)일 수 있고, 제 1 전자기장의 물리적 특성은 기준 위상에 상대적인 위상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 제 1 전자기장을 구조화하는 단계는 측정하는 단계 이전에 전자기장의 변조를 포함할 수 있다. 변조는 주파수 변조, 진폭 변조, 및 스텝-변조 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 리드베르크 상태의 분포는 원자와 무선 주파수 필드 사이의 상호 작용에 대해 0이 아닌 쌍극자 모멘트를 가지는 적어도 한 쌍의 상태를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 아래의 추가 단계가 존재할 수 있다:
제 1 전자기장에 존재하거나 제 1 전자기장을 구성하는 인코히어런트(incoherent) RF 잡음 필드의 존재하에 사전 결정된 리드베르크 원자 에너지 레벨 또는 리드베르크-EIT 스펙트럼을 계산하는 단계;
빛을 원자 증기 셀로 전파하는 단계;
원자 증기 셀을 통해 전파된 빛으로 스펙트럼 특징을 측정하는 단계;
일치하는 스펙트럼을 식별하는 단계; 및
인코히어런트 RF 잡음 필드의 속성을 도출하는 단계.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 아래의 추가 단계가 존재할 수 있다:
강한 정적 또는 저주파 자기장과 동일한 제 1 전자기장 내의 원자에 대해 사전 결정된 원자 에너지 레벨 또는 스펙트럼을 계산하는 단계;
광학 프로브로서 적어도 하나의 다른 전자기장을 원자 증기 셀로 전파하는 단계;
원자 증기 셀을 통해 전파된 빛의 스펙트럼 특징을 측정하는 단계;
일치하는 스펙트럼을 식별하는 단계; 및
강한 자기장의 물리적 특성을 도출하는 단계.
상기 빛은 변조 주파수 또는 그 주파수의 배수에서 록인(lock-in) 검출과 함께 진폭 변조 또는 주파수 변조될 수 있으며, 사전 결정된 원자 에너지 레벨 또는 스펙트럼은 로우-라잉 원자 상태에 대한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따라, 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 모놀리식 센서가 제공된다. 이 센서는 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기; 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 여기 소스; 및 프로브 빔 또는 더 많은 빔을 상기 원자 증기에 결합하고 프로브 빔과 원자 증기의 상호 작용 후 프로브 빔을 수집하기 위한 적어도 하나의 도파관을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 도파관은 광섬유일 수 있다. 적어도 하나의 도파관 중 적어도 하나는 여기 소스 및 프로브 빔 모두로부터의 방사선을 원자 증기에 결합할 수 있다. 인클로저는 유전 재료 또는 유리 증기 셀을 포함할 수 있다. 인클로저는 구획화될 수 있고, 더욱 구체적으로는 선형으로 구획화되거나 영역별로 구획화될 수 있다.
다른 실시예에서, 별개의 프로브 빔은, 예컨대, 광학 요소의 어레이를 통해 하나의 어레이의 구획 각각에 결합될 수 있고, 원자 증기와의 상호작용 후 수집될 수 있고, 광학 요소의 어레이를 통해 검출기 요소에 결합될 수 있다. 인클로저는 광 흡수 표면을 포함할 수 있고, 또한 온도 조절기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따라, 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 일방적으로 결합된(unilaterally-coupled) 모놀리식 센서가 제공된다. 이 일방적으로 결합된 모놀리식 센서는 유전체 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기 및 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키기 위한 여기 빔을 생성하기 위한 여기 소스를 갖는다. 또한, 이 일방적으로 결합된 모놀리식 센서는 상기 여기 빔 및 프로브 빔 중 적어도 하나의 전파 방향을 상기 원자 증기를 향햐도록 또는 멀어지도록 방향을 바꾸는 적어도 하나의 광학 컴포넌트 여기 빔을 원자 증기에 결합시키고 원자 증기로부터 나오는 프로브 빔을 결합시키기 위한 제 1 프리즘 및 프로브 빔을 원자 증기에 결합시키는 제 2 프리즘을 갖는다. 여기 빔 및 프로브 빔은 실질적으로 평행한 방향으로 각각의 제 1 및 제 2 프리즘에 입사될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서가 제공된다. 이 센서는 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나 및 컨디셔닝 재료 또는 구조 내에 배치된 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기를 갖는다. 이 센서는 또한 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태 분포로 여기시키는 여기 소스, 원자 증기의 횡단(traversal) 후 프로브 빔을 검출하고 검출기 신호를 생성하는 검출기, 및 적어도 검출기 신호에 기초하여 전자기장을 특징짓는 파라미터를 도출하기 위한 프로세서를 갖는다.
다른 실시예에서, 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 또는 구조는 RF 공진기 또는 도파관일 수 있다. 이것은 또한 메타물질(metamaterial)일 수도 있다.
전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 또는 구조는 안테나 또는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 이 재료 또는 구조는 도전성일 수 있고, 전류 또는 전압 신호를 원자 증기 셀 내의 전자기장으로 변환함으로써 전자기장을 컨디셔닝할 수 있다. 전류 또는 전압 신호의 속성은 검출기 신호로부터 도출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태로 여기시키는 여기 소스는 원자 증기에서 전자기적으로 유도된 투과 또는 전자기적으로 유도된 흡수를 설정하기(establish) 위한 하나 이상의 광선을 가질 수 있다. 원자 증기를 담고 있는 인클로저는 유리 증기 셀일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 또는 구조는 원자 증기 인클로저로 들어가거나 빠져나오는 전자기장에 대한 필터 또는 반사기를 포함할 수 있다. 검출기는 원자 증기의 여기 및 그로부터의 방출에 의해 생성된 전자기장을 검출하는데 사용될 수 있다. 전자기장은 정상(standing) 전자기파 및 진행(traveling) 전자기파 중 적어도 하나와 연관될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따라, 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서가 제공된다. 이 센서는 광 흡수 표면을 갖는 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기를 갖는다. 이 센서는 또한 광 흡수 표면에 입사하는 가열 빔의 소스 뿐만 아니라 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 여기 소스를 갖는다. 이 센서는 또한 원자 증기의 횡단 후 프로브 빔을 감지하고 검출기 신호를 생성하기 위한 검출기 및 원자 증기를 특징짓는 온도를 조절하는 방식으로 광 흡수 표면에 가열 빔을 적용하기 위한 프로세서를 가진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광 흡수 표면은 필름, 폴리머, 또는 유리일 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따라, 인클로저 내에 담겨 있는 플라즈마 영역 내의 전자기장을 측정하는 방법이 제공된다. 이 방법은:
지정된 종의 추적 입자를 플라즈마에 통합하는 단계;
추적 입자를 지정된 리드베르크 상태로 여기시키는 단계;
적어도 프로브 빔 및 커플러 빔을 적용하여 플라즈마의 EIT 투과 스펙트럼을 도출하는 단계; 및
플라즈마의 EIT 투과 스펙트럼을 스펙트럼 모델과 비교하여, 필드 유도 스펙트럼 형상 변화 및 필드 유도 스펙트럼 시프트 중 적어도 하나에 기초하여 플라즈마 영역을 통해 전자기장을 추론하는 단계를 포함한다.
본 발명의 더 많은 실시예에 따르면, 이 방법은 자기장 또는 RF 필드를 플라즈마에 적용하는 추가 단계를 가질 수 있다. 추적 입자는 원자일 수있고, 더 구체적으로는 루비듐 원자를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 저온 원자 소스로부터 추적 입자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 전술한 특징은 첨부된 도면을 참조하여 취해진, 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단면의 광학적으로 결합된 RF 감지 요소를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 형상의 역-EIT 구성을 사용하여 얻은 87Rb의 30D 리드베르크 상태의 EIT 스펙트럼을 보여준다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 여기 및 프로브 빔이 프리즘을 통해 증기 셀에 결합되어 있는 단면의 원자 증기 센서를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 단면 결합된 개별 증기 셀 센서 요소로 구성된 마이크로파 이미징 어레이를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 여러 주파수에 대해 직경이 l25um 인 팁의 축을 따른 RF 필드 향상 계수의 계산을 보여준다.
도 4b는 전도성 팁과 관련된 스킨 뎁스(skin depth)를 보여준다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-캐비티 구조의 유형을 나타낸다.
도 6은 1V/m의 거의 공진하는 4GHz 입사 RF 필드에 대한, 5a-5b에 도시된 하이브리드 원자-캐비티 구조 내의 전기장의 계산을 보여준다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-공진기 장치를 도시한다. 도 7a는 분광 셀 내부의 공진기 전극/캐비티를 도시한다. 도 7b는 전극 정렬 및 안정화를 위한 세라믹 핀을 보여주는 공진기의 평면도이다. 도 7c는 유리 스페이서 및 갭이 표시된 공진기의 측면도이다. 도 7d는 외부 전압/전류 제어를 위해 또는 전극을 접지/단락시키기 위해 연결된 와이어 리드를 갖는 루비듐 증기 셀 내부의 공진기 전극/캐비티 구조를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 필드 특성 측정을 위한 실험적 설정을 나타내며, 도 8b는 적절한 리드베르크 EIT 에너지 레벨 다이어그램을 나타낸다.
도 9a-9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-캐비티 필드 향상을 보여준다. 도 9a는 고정된 -10dBm 주입 전력에서 RF/마이크로파 주파수의 함수로서 측정된 31S 리드베르크 EIT 스펙트럼을 나타낸다. 도 9b는 적용된 평균 제곱근(root-mean-square) 전기장ERMS에 대한 31S1/2 리드베르크 상태를 중심으로 계산된 스타크 맵을 도시한다. 도 9c는 도 9a 및 도 9b를 이용하여 획득한 마이크로파 ERMS 대 주파수를 도시한다. 도 9d는 각각 2.5GHz 및 4.35GHz 마이크로파에 대한 측정된 EIT 라인을 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도파관 내부에 원자 증기 셀을 갖는 필드 측정 시스템의 측면도 및 단부도를 도시한다.
도 11a는 수직 축에 대해 상이한 각도 위치(Q)에 대해 고정된 주입 전력에서 적용된 마이크로파 주파수의 함수로서 실험적인 31S 리드베르크 AC-스타크 시프트를 도시한다. 도 11b는 도 11a에 도시된 데이터에 대한 Q의 함수로서 4.35GHz에서의 마이크로파 전기장을 도시한다.
도 12a는 전기장진폭 계산의 결과를 도시하고, 도 12b-12d는 전기장벡터 방향의, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7a-7d의 하이브리드 원자-캐비티 구조를 보여준다.
도 13a 및 13b는 적용된 DC 전기장에 대한 30D 리드베르크 상태의 실험 및 계산된 DC 스타크 맵을 각각 도시한다.
도 14는 100MHz RF 필드에서 루비듐 47S 및 47P 레벨의 AC 스타크 시프트의 플로켓 계산을 도시한다.
도 15는 루비듐 47S 상태에 대한 RF 강도 및 전기장 보정을 도시한다.
도 16은 4 개의 상이한 주입된 RF 전력에 대해 고정된 -l4dBI 마이크로파 강도(별도의 보정)에서의 47S 상태 대 마이크로파 주파수 디튜닝(37.51663492GHz로부터)의 측정된 EIT 스펙트럼을 도시한다.
도 17은 약 200 V/cm에 이르는 일련의 값에 대해 인가된 RF 전기장의 함수로서 측정된 회피 교차의 중심을 도시한다.
도 18a는 인가된 주파수의 함수로서 1 V/m 입사 필드에 대해 4 개의 상이한 스플릿-링 캐비티 구조 내부에서 생성된 시뮬레이션된 전기장을 도시한다. 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스플릿-링 캐비티 구조의 갭 내의 측정 채널을 도시한다. 도 18c 및 18d는 100GHz 부근에서 공진으로 이어지는 기하학적 구조를 가진 스플릿-링 공진기에 대한 시뮬레이션된 공진 곡선을 보여준다.
도 19a 및 19b는 4mm 내경 원자 증기 셀(1903)을 둘러싸는 IR-유리 캡슐(1901)을 도시한다. 도 19c는 전광(all-optical) 가열 테스트 플랫폼을 도시한다.
도 20a는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전기장의 위상 감지 측정을 위한 감지 요소 백엔드 및 동작 원리를 개략적으로 도시한다. 도 20b는 위상 민감성 RF 전기장측정에 사용되는 양자 기계적 레벨 스킴 및 광학/RF 여기 경로를 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 처음으로 가능해진 자기장의 속성의 리드베르크-EIT 측정 단계를 보여주는 흐름도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 처음으로 가능해진, 지정된 스펙트럼 범위에 걸쳐 RF 잡음 속성의한 리드베르크-EIT 측정의 단계를 보여주는 흐름도이다.
도 23a-23c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 리드베르크 원자 추적기의 EIT를 사용하여 플라즈마 내 전자기장을 프로빙하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 24a-24c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2- 레벨 리드베르크 양자 시스템의 포화 흡수 분광법을 사용하여 강한 자기장을 측정하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 25a-25c는 본 발명의 일 실시예에 따라 3-레벨 리드베르크 양자 시스템의 포화 흡수 분광법을 사용하여 강한 자기장을 측정하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기 및 센서를 개략적으로 도시하고, 도 26b는 변환기 및 센서의 전극에 인가된 다양한 전압 레벨에서 획득된 신호의 플롯을 도시한다.
도 27a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파의 파장-선택 투과를 위한 대향 윈도우를 갖는 원자 증기-셀 구획을 개략적으로 도시한다. 도 27b는 도 27a의 원자 증기-셀 구획의 이미지를 보여준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단면의 광학적으로 결합된 RF 감지 요소를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 형상의 역-EIT 구성을 사용하여 얻은 87Rb의 30D 리드베르크 상태의 EIT 스펙트럼을 보여준다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 여기 및 프로브 빔이 프리즘을 통해 증기 셀에 결합되어 있는 단면의 원자 증기 센서를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 단면 결합된 개별 증기 셀 센서 요소로 구성된 마이크로파 이미징 어레이를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 여러 주파수에 대해 직경이 l25um 인 팁의 축을 따른 RF 필드 향상 계수의 계산을 보여준다.
도 4b는 전도성 팁과 관련된 스킨 뎁스(skin depth)를 보여준다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-캐비티 구조의 유형을 나타낸다.
도 6은 1V/m의 거의 공진하는 4GHz 입사 RF 필드에 대한, 5a-5b에 도시된 하이브리드 원자-캐비티 구조 내의 전기장의 계산을 보여준다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-공진기 장치를 도시한다. 도 7a는 분광 셀 내부의 공진기 전극/캐비티를 도시한다. 도 7b는 전극 정렬 및 안정화를 위한 세라믹 핀을 보여주는 공진기의 평면도이다. 도 7c는 유리 스페이서 및 갭이 표시된 공진기의 측면도이다. 도 7d는 외부 전압/전류 제어를 위해 또는 전극을 접지/단락시키기 위해 연결된 와이어 리드를 갖는 루비듐 증기 셀 내부의 공진기 전극/캐비티 구조를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 필드 특성 측정을 위한 실험적 설정을 나타내며, 도 8b는 적절한 리드베르크 EIT 에너지 레벨 다이어그램을 나타낸다.
도 9a-9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-캐비티 필드 향상을 보여준다. 도 9a는 고정된 -10dBm 주입 전력에서 RF/마이크로파 주파수의 함수로서 측정된 31S 리드베르크 EIT 스펙트럼을 나타낸다. 도 9b는 적용된 평균 제곱근(root-mean-square) 전기장ERMS에 대한 31S1/2 리드베르크 상태를 중심으로 계산된 스타크 맵을 도시한다. 도 9c는 도 9a 및 도 9b를 이용하여 획득한 마이크로파 ERMS 대 주파수를 도시한다. 도 9d는 각각 2.5GHz 및 4.35GHz 마이크로파에 대한 측정된 EIT 라인을 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도파관 내부에 원자 증기 셀을 갖는 필드 측정 시스템의 측면도 및 단부도를 도시한다.
도 11a는 수직 축에 대해 상이한 각도 위치(Q)에 대해 고정된 주입 전력에서 적용된 마이크로파 주파수의 함수로서 실험적인 31S 리드베르크 AC-스타크 시프트를 도시한다. 도 11b는 도 11a에 도시된 데이터에 대한 Q의 함수로서 4.35GHz에서의 마이크로파 전기장을 도시한다.
도 12a는 전기장진폭 계산의 결과를 도시하고, 도 12b-12d는 전기장벡터 방향의, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7a-7d의 하이브리드 원자-캐비티 구조를 보여준다.
도 13a 및 13b는 적용된 DC 전기장에 대한 30D 리드베르크 상태의 실험 및 계산된 DC 스타크 맵을 각각 도시한다.
도 14는 100MHz RF 필드에서 루비듐 47S 및 47P 레벨의 AC 스타크 시프트의 플로켓 계산을 도시한다.
도 15는 루비듐 47S 상태에 대한 RF 강도 및 전기장 보정을 도시한다.
도 16은 4 개의 상이한 주입된 RF 전력에 대해 고정된 -l4dBI 마이크로파 강도(별도의 보정)에서의 47S 상태 대 마이크로파 주파수 디튜닝(37.51663492GHz로부터)의 측정된 EIT 스펙트럼을 도시한다.
도 17은 약 200 V/cm에 이르는 일련의 값에 대해 인가된 RF 전기장의 함수로서 측정된 회피 교차의 중심을 도시한다.
도 18a는 인가된 주파수의 함수로서 1 V/m 입사 필드에 대해 4 개의 상이한 스플릿-링 캐비티 구조 내부에서 생성된 시뮬레이션된 전기장을 도시한다. 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스플릿-링 캐비티 구조의 갭 내의 측정 채널을 도시한다. 도 18c 및 18d는 100GHz 부근에서 공진으로 이어지는 기하학적 구조를 가진 스플릿-링 공진기에 대한 시뮬레이션된 공진 곡선을 보여준다.
도 19a 및 19b는 4mm 내경 원자 증기 셀(1903)을 둘러싸는 IR-유리 캡슐(1901)을 도시한다. 도 19c는 전광(all-optical) 가열 테스트 플랫폼을 도시한다.
도 20a는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전기장의 위상 감지 측정을 위한 감지 요소 백엔드 및 동작 원리를 개략적으로 도시한다. 도 20b는 위상 민감성 RF 전기장측정에 사용되는 양자 기계적 레벨 스킴 및 광학/RF 여기 경로를 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 처음으로 가능해진 자기장의 속성의 리드베르크-EIT 측정 단계를 보여주는 흐름도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 처음으로 가능해진, 지정된 스펙트럼 범위에 걸쳐 RF 잡음 속성의한 리드베르크-EIT 측정의 단계를 보여주는 흐름도이다.
도 23a-23c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 리드베르크 원자 추적기의 EIT를 사용하여 플라즈마 내 전자기장을 프로빙하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 24a-24c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2- 레벨 리드베르크 양자 시스템의 포화 흡수 분광법을 사용하여 강한 자기장을 측정하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 25a-25c는 본 발명의 일 실시예에 따라 3-레벨 리드베르크 양자 시스템의 포화 흡수 분광법을 사용하여 강한 자기장을 측정하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 26a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기 및 센서를 개략적으로 도시하고, 도 26b는 변환기 및 센서의 전극에 인가된 다양한 전압 레벨에서 획득된 신호의 플롯을 도시한다.
도 27a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파의 파장-선택 투과를 위한 대향 윈도우를 갖는 원자 증기-셀 구획을 개략적으로 도시한다. 도 27b는 도 27a의 원자 증기-셀 구획의 이미지를 보여준다.
정의: 다음 용어들은 문맥에 의해 달리 명시되지 않는 한 표시된 의미를 갖는다.
본 발명의 특정 실시예는 원자-기반 필드 감지 요소에 관한 것이고, 이는 동의어로서 본 명세서에서 "감지 요소", "필드 감지 요소" 및 "센서"로 지칭될 수도 있다.
"컨디셔닝(Conditioning)"은 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 전자기장 또는 그것의 모드, 전기장 진폭, 편광, 주파수, 위상 및 스펙트럼 컨텐츠를 포함한 EM 필드의 물리적 속성의 제한, 안내, 조작 또는 필터링을 지칭한다.
전자기파를 지칭할 때 용어 "향상"은 전자기파의 임의의 물리적 속성의 값을 증가시키는 방식의 전자기파의 컨디셔닝으로 정의되어야 한다.
"단색 필드(monochromatic field)"는 정적 필드 또는 중심 주파수의 1 % 이하의 주파수 범위를 특징으로 하는 전기장을 의미한다.
전자기장은 그것이 단색 필드이고 적어도 하나의 다른 전자기장과 간섭 관계에 있는 경우에만 "구조화되었다"고 지칭된다. 따라서, 전자기장을 "구조화"하는 것은 전자기장을 하나 이상의 다른 전자기장과 간섭 관계로 배치하는 것이다.
원자-기반 필드 감지 요소는 그것이 RF 필드를 컨디셔닝하는 역할을 하는 적어도 하나의 재료 또는 구조를 포함하는 경우에만 본 명세서에서 "통합된 것"으로 지칭됩니다. 여기서 용어 "컨디셔닝"은 위에 정의된 바와 같다. 컨디셔닝된 RF 필드는 본 명세서에서 "RF 관심 필드"로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 집합을 지칭할 때 "분포"라는 단어는 연속적이든 불연속적이든 단일 요소의 경우를 포함해야 한다. 따라서, 예를 들어 리드베르크 상태 간 원자 개체 분포는 단일 상태 또한 포함한다.
본 명세서에서 사용 된 바와 같이, 스펙트럼에서, 용어가 주파수(v)의 임의의 함수를 지칭하면, "스펙트럼 특징"은 정의된 연속 주파수 서브 도메인에 걸쳐 그 함수의 동작을 지칭할 것이며, 여기서 하위 도메인의 경계에 있는 함수 값은 함수의 국부 최소값 또는 최대값을 구성한다.
스펙트럼 특징의 "분할"은 물리적 효과로 인해 함수의 국부 최대값의 감소를 지칭하며, 이는 2개의 새로운 국부 최대값(원래의 국부 최대 값보다 높은 주파수에서 하나, 그리고 원래 국부 최대치보다 낮은 주파수에서 하나)의 출현을 야기한다. 문맥상 적절한 경우 "분할"이라는 용어는 원래의 국부 최대값 대신 나타나는 새로운 국부 최대값의 로커스들(loci) 간의 주파수 차이를 지정할 수도 있다.
용어 "전자기"는 DC 및 AC 필드를 모두 포함한다.
"RF"는 본 명세서에서 "마이크로파", "밀리미터 파", "테라헤르츠", 또는 DC 이상에서 THz까지의 주파수를 갖는 임의의 전자기 방사선을 지칭할 수 있다.
자기장은 그것이 ~10-3 Tesla(10 G)를 초과하는 경우 "강한 것"으로 지정되어야 하는데, 상기 지점에서 자기장에 의해 파괴되는 일부 원자 하이퍼프미 레벨(hyperfme level)의 m-축퇴(m-m-degeneracy)는 약-필드(선형 지만) 체제에서 파셴-백(Paschen-Back) 체제로 전환하기 시작한다.
"전자기적으로 유도된 투과"(EIT)는 광학 시스템의(적어도) 세 가지 상태와 상호 작용하도록 조정된 코히어런트 광학 필드가 매체 내에서 다른 방식으로 흡수되는 양자 트랜지션에 대응하는 파장에서 투과를 발생시키는 물리적 현상학을 지칭한다. EIT의 물리학 및 용어는 마라고스의 "토피칼 리뷰(Topical review): 전자기적으로 유도된 투과", J Mod. Opt. vol. 45, pp. 471-503(1998)에서 볼 수 있고, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "유전체"는 절연체와 같이, 전도 없이 전기력을 전달하는 재료 또는 물질로 정의된다.
원자-기반 전기장 감지 요소 및 측정 시스템
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 단면의 광학적으로 결합된 RF 감지 요소(또는 본 명세서에서 "센서" 및 "펜 형상 구성"이라고 지칭됨)가 제공되고, 일반적으로 (100)으로 지정되며, 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1에 도시된 펜 형상 선형 센서 디자인은 단일 입구 포트(102)를 사용하여 인클로저(106) 내에 포함된 증기 셀 볼륨(108)(본 명세서에서 "증기 셀" 또는 "원자 증기 셀"로 지칭됨) 안팎으로 필요한 레이저 빔(103, 104)을 광섬유로 결합한다. 증기 셀 볼륨(108)은 원자 또는 분자 가스를 담는다. 빔(103 및 104)에 의해 프로빙되는 증기 셀 볼륨(108) 내의 가스 영역은 본 명세서 및 임의의 첨부된 청구 범위에서 "테스트 볼륨"으로 지칭될 수 있다.
센서(100)가 한 면에서 활성 측정 볼륨(110)으로 들어간다면, 도 1의 구성은 활성 측정 볼륨(110)을 하나를 제외한 모든 면에서 입사 RF/마이크로파 필드(112)에 대해 방해받지 않게 남겨둔다. 도 1에 도시된 구현예에서, 선형 편광 프로브(103) 및 커플러(104) 빔은 단일 편광 유지 광섬유(120)를 통해 전달되고 증기 셀(106) 내에서, 대략 200pm의 반치폭(FWHM :full-width-at-half-maximum)으로 렌즈(122)에 의해 시준된다. 프로브 및 커플러 빔(103, 104)은 원자 증기 셀(106)을 통해 공동 전파되며, 여기서 프로브(103)는 커플러가 통과하고 얇은 유전체 흡수기 빔 블록(132)에 의해 차단되는 동안, 쇼트-패스(short-pass) 이색성(dichroic) 미러 코팅(130)에 의해 셀을 통해 다시 선택적으로 역반사된다. 역반사된 프로브 빔(134)은 나가는 커플러 빔과 중첩하는 그것의 경로를 추적하고(retrace) 렌즈(122)에 의해 광섬유(120)로 다시 재결합된다. 역-반사 전(도 1의 렌즈와 증기 셀 사이)에 위치한 1/4 파장판(140)은 선형 편광의 들어오는 프로브 빔이 역반사되어 나가는 빔에 대해 90도 회전됨을 보장하여, 그것은 편광 유지(PM) 섬유 후 판독을 위해 편광-선택 요소(미도시)를 통해 선택적으로 분리될 수 있다.
도 1에 도시 된 센서(100)는 본 발명 이전의 증기-셀 EIT의 다른 구현예에 비해 몇 가지 이점을 제공할 수 있다. 첫째, 이러한 선형 단면 설계는 작은 유전체 풋 프린트를 갖는 소형, 로우-프로파일 프로브 팁 및 센서 요소를 허용한다. 또한, 이 디자인은 광섬유에서 나온 광 빔을 셀 내로 다시 보내기 위한 임의의 광학적 요소에 대한 필요성을 제거한다. 증기 셀 EIT의 전형적인 구현예와 비교하여 더 큰 빔 직경의 입력 및 출력 커플링을 위해 단일 렌즈를 사용하는 것은 상호 작용 시간이 더 짧아지고 더 높은 달성 가능한 분광 해상도를 제공함으로써 측정 정밀도와 감도를 유리하게 개선할 수 있고, 뿐만 아니라 판독 프로브 빔을 동일한 광섬유로 백-커플링(back-coupling)하여 오정렬에 대한 장치 감도를 줄임으로써 작동 안정성이 향상될 수 있다.
도 2a는 도 1의 펜 형상의 역-EIT 구성(100)을 사용하는 87Rb의 30D 리드베르크 상태의 EIT 스펙트럼(일반적으로 (200)로 지정됨)을 도시한다. 단면 EIT 구성은 본 명세서에서 "역-EIT 구성"이라고 지칭될 수 있다. 미세 구조 특징(204)의 분할이 분명하다. 내부 셀 벽으로부터의 커플러 빔(104)의 내부 반사는 복제 EIT 스펙트럼(202)으로 이어진다. 이 스펙트럼은 Si 포토다이오드의 신호에 대한 락인 검출(lock-in) 없이 취해진다.
복제 스펙트럼(202)은 도플러 프로파일의 중심에서 속도 v = 0 원자에 대한 프로브(103)의 주파수 디튜닝과 동일한 양만큼 1차 EIT 라인(200)으로부터 청색 편이(blue-shift) 된다. 증기 셀의 내부 반사로 인한 복제 스펙트럼은 증기 셀 EIT 실험에서 일반적으로 관찰된다. 이는 EIT 빔의 정상적인 입사각으로부터 일정 각도를 이루도록 셀을 배치하거나 입사 광학 빔에 대해 일정 각도를 이루는 셀 윈도우를 가짐으로써 방지할 수 있다.
도 2b는 루비듐 증기 캡슐(232)을 통한 단면 섬유 결합을 갖는, 일반적으로 (230)으로 지정된 감지 요소의 일 실시예를 도시한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 감지 요소의 구현예에서, 제 1 프리즘(212) 및 제 2 프리즘(214)이 단면 섬유 결합 여기 빔(216) 및 단면 섬유 결합 프로브 빔(218)을 증기 캡슐(232)로 재전달한다. 프리즘(212 및 214)은 렌즈(235)에 의해 빔(216 및 218)을 안내하는 각각의 섬유에 결합된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단면 광학 결합 증기 셀 RF/마이크로파 감지 요소는 다중 센서 어레이로 확장될 수 있으며, 여기서 셀 어레이의 단면 결합은 렌즈의 마이크로 어레이에 영향을 주는 커플러 및 프로브에 큰 단일 빔을 집합적으로 사용함으로써 달성된다. 하나의 이러한 실시예가 이제 도 3을 참조하여 설명된다. 다시, 커플러(104) 및 프로브(103) 빔의 일 면 진입은 어레이 내의 단일 요소의 조밀한 패킹을 가능하게 하고, 활성 측정 체적/표면을 측정되거나 이미지화 될 입사 RF/마이크로파 방사선에 방해받지 않도록 남겨둔다. 저밀도 어레이의 경우, 도 1 및 3에 도시된 것과 같은 개별 단면 요소의 그리드가 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
도 3은 일반적으로 (300)로 지정된 마이크로파 이미징 어레이를 도시한다. 마이크로파 이미징 어레이(300)는 선형 또는 영역(2 차원) 어레이로 배열된 개별 증기 셀 센서 요소(302)의 단면 결합으로 구성된다. 광 커플러(304) 및 프로브(306) EIT 빔은 이색성 미러(308)를 사용하여 서로 분리된다. 레이저 빔 어레이(310)는 마이크로 렌즈 어레이(ML 어레이)(314)를 통과하는 큰 직경의 레이저 빔(312)으로부터 유도된다. 마이크로 렌즈 어레이는 상업적으로 이용 가능하다. 레이저 빔 어레이는 원자 증기를 포함하는 서브-셀(316)의 평면 어레이와 매칭된다(관심 RF 파장의 일부 정도의 층 두께, 1mm 미만의 서브-셀 주기를 가짐). 증기 셀 어레이상의 유전체 코팅(318)은 780-nm 프로브 레이저 빔을 반사하고 480-nm 커플러 및 마이크로파 필드를 투과시킨다. 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 프로브 빔 이미지는 마이크로파 정보를 포함한다. 이것은 CCD 카메라(320)를 사용하여 기록되고 이미지 프로세서(322)를 통해 분석된다. 또한, 편광 빔 스플리터(PBS)(324)가 도시된다.
캐비티 강화 필드 감도
이제 RF 검출을 위한, 상기 정의된 바와 같은, 하이브리드 원자 검출기의 개념이 제시되며, 여기서 원자 리드베르크 증기는 관심 있는 RF 필드를 컨디셔닝하기 위해 상이한 공진 재료 또는 구조와 통합된다. 유리하게도 본 발명에 따른 하이브리드 원자 검출기는 검출 능력을 달성할 수 있다.
근접장 효과(near-field effect)는 향상된 전기장의 영역을 생성하는 것으로 잘 알려져 있다. 본 발명에 따라 처음으로 설명되는, 하이브리드 원자 검출기의 전술한 개념은, 예를 들어, 나노 입자 내의 플라즈몬 공진에서 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 하이브리드 원자 검출기의 일례는 분할-링 공진기를 사용한다. 간단한 근접장 향상 장치는 서브-파장 직경의 금속 팁이다. 이 팁은 뇌우 시 막대 근처의 전기장을 향상시키는 피뢰침과 유사하게 RF 전기장을 향상시킨다. 도 4a는 여러 주파수에 대해 직경이 125um인 팁(401)의 축을 따른 RF 필드 향상 계수의 계산을 보여준다. 이 도면 및 플롯은 원자 증기 셀에 통합된 금속 팁과 같은 단순한 구조가 9.5dB의 강도에 대응하는, 약 3 배까지 필드를 향상시킬 수 있음을 보여준다. 향상을 위해, 팁 직경이 도 4b에 표시된 스킨 댑스를 초과하는 것이 중요하다. 관심 사례(Cr, 베릴륨-구리 등)의 경우 10 내지 100GHz 범위에서 1um 정도이다(및 1/주파수0.5로 스케일링된다). 결과적으로, 원자 증기 셀에 임프린팅된 금속 팁과 같은 하이브리드 장치는 국소적인 근접장 향상을 통해 필드 감도를 향상시킨다.
RF 필드와 공진하는 캐비티 구조는 필드의 국부적 향상을 위한 다른 수단을 제공한다. 캐비티 구조는 RF 필드 편광 및 주파수와 같은 RF 필드 파라미터에 대한 추가 제어를 쉽게 제공할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 캐비티는 원자-RF 필드 상호 작용 볼륨에서 필드 비균질성을 감소시키도록 설계될 수 있으며, 이는 애플리케이션에 따라 바람직할 수 있고, 팁 형상 구조를 통해 근접장 효과를 이용할 때 달성하기는 어렵다.
이제 리드베르크 EIT 감지에 사용되는 하이브리드 원자 캐비티 구조의 새로운 개념이 일반적으로 (500)로 지정된, 예시적인 유형의 하이브리드 원자-캐비티 구조 및 RF 필드 향상을 위한 작동 원리가 도시되어 있는, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명된다. 구조(500)는 루비듐 증기 셀(506)의 전면에서 갭(504)에 의해 분리된 2 개의 고체 금속 프레임(502)(본 명세서에서 "전극"이라고도 함)으로 구성된다. 도 5b를 참조하면, 2 개의 금속 프레임(502) 사이의 갭(504)은 충돌하는 RF 필드(508)에 공진 결합하는 캐비티(510)를 형성하여 캐비티 볼륨 내에서 국부적으로 대응하는 RF 전기장(512)을 압축시킨다. 여기서 "캐비티"라는 단어는 지정된 공간 볼륨에 대해 맥스웰 방정식에 대한 솔루션에 임의의 종류의 경계 조건을 부과하는 임의의 구조를 나타내는 일반적인 의미로 사용된다. "캐비티"는 또한 본 명세서에서 "공진기"또는 "공진 구조"의 동의어로 지칭될 수 있다.
캐비티(510) 내부의 리드베르크 원자 증기는 필드(512)의 측정을 위해 광학적으로 조사된다. 도 6은 루비듐 증기 전지 내부에 전통적으로 기계 가공된 전극을 갖는 하이브리드 원자-캐비티 구조(500)에 의해 제공되는 전기장 향상의 계산을 도시하며, 도 5a 및 5b 및 도 7a-7d를 참조하여 도시되고 설명된다. 구조(500)는 460um의 갭 크기를 가지며, 이는 Y(도 5b의 수직 방향)를 따라 선형으로 편광된 4-GHz 마이크로파의 전기장(512)을 갭(504) 내에서 약 10 배만큼(강도로 20dB에 해당) 국부적으로 향상시킨다. EIT 레이저 빔 웨이스트가 50 내지 100 마이크로미터 범위인 경우, 향상된 전기장은 0.46 × 0.5 × 9mm 크기의 측정 채널 내부의 활성 측정 볼륨 내에서 매우 균일하게 유지된다. 9mm 길이의 "캐비티 채널"(본 명세서에서 "갭" 및 "캐비티" 모두와 동의어로 사용되는 용어)은 측정 중 더 높은 광 흡수를 위해 충분히 긴 상호 작용 볼륨을 제공하고, 또한 EIT 스펙트럼에서 개선된 신호 대 잡음을 제공한다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 일반적으로 (700)으로 지정된 하이브리드 원자-공진기 장치가 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명된다. 도 7a에 도시된 사시도는 스타크 튜너/압축기(704)에 대응하는 내부 구조를 갖는 분광 셀(702)( "증기 캡슐"의 "원자 증기 캡슐"이라고도 함)을 강조한다. 도 7b는 하이브리드 원자 공진기 장치(700)의 평면도이다. 도 7c의 측면도는 "캐비티"라고도 지칭되는 갭(710)을 형성하기 위해 스페이서(708)에 의해 분리되어 있는 상부 전극(706) 및 하부 전극(707)을 도시한다. 도 7d에 도시된 하이브리드 원자-공진기 장치(700)의 사시도는 전극 연결부(714)를 통해 증기 캡슐(702)로 결합된 전극 와이어 리드(712)를 도시한다.
고감도 원자-기반 RF 필드 측정을 위한 하이브리드 원자-캐비티 장치로 필드 향상을 입증하기 위해, 도 7a 내지 도 7d의 하이브리드 원자-공진기 장치(700)가 도 8a에 도시된 실험적 셋업으로 배치될 수 있다. 캐비티(710) 내의 RF 필드는 캐비티(710) 내 85Rb 원자의 하이-라잉(high-lying) 리드베르크 상태의 필드 유도 레벨 시프트의 고효율 비파괴 광학 프로브로서 리드베르크 EIT를 사용하여 측정된다. 관련 루비듐 리드베르크 EIT 에너지 레벨 다이어그램가 도 8b의 삽입부에 도시되어 있다. l = 780nm(720) 및 480nm(722) 인 2 개의 레이저 빔이 도 5b 및 도 8a에 도시된 바와 같이 캐비티(710)의 중심을 통해 역-전파되고 중첩된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 780nm 빔(720)은 셀(702)의 중심에서 70 마이크로미터의 반치폭(half-width)에 집중되고, 8pW의 파워를 갖는 반면, 480nm 빔(722)은 70마이크로미터의 반치폭에 집중되고, 40mW의 파워를 갖는다. 리드베르크 EIT 분광법은 레이저 주파수가 85Rb 5SI/2(F = 3) 내지 5P3/2(F = 4) 트랜지션으로 안정화된 상태에서 증기를 통한 780nm 투과를 모니터링함으로써 수행되고, 480nm 레이저의 주파수는 수 Hz의 반복률에서 선택된 리드베르크 레벨에 걸쳐 선형으로 스캔된다. 광학 주파수 기준은 리드베르크 EIT 스펙트럼을 보정하기 위해 480nm 레이저 빔(720)에서 유도된다.
EIT 스펙트럼에서 개선된 신호 대 잡음을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따라 변조 분광기가 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는, 변조는 주파수-변조, 진폭-변조 및 스텝-변조 또는 이들의 조합 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 480nm 빔(720)은 50/50 듀티 사이클에서 ~ 20kFlz 사각 펄스로 진폭 변조될 수 있으며, 광 검출기(732)로의 780nm 빔의 검출에 의해 유도된 780nm 신호(730)는, 예컨대, 록인 증폭기(도시되지 않음)를 사용하여 복조될 수 있다. 하이브리드 원자-캐비티 구조(700)는 증가된 루비듐 증기 밀도 및 780nm 흡수를 위해 약 45℃의 주변 온도에서 유지된다. 캐비티(710)를 형성하는 2 개의 전극(706 및 707)은 모두 셀(702) 외부에서 접지에 전기적으로 결합된다. 하나의 예에서, RF 필드는 WR229 개방형 도파관(2.577 내지 5.154GHz)(735)(본 명세서에서 "가이드"라고도 함)에 공급하는 20dB 만큼 증폭되는 신호 발생기를 사용하여 생성된다. 리드베르크 EIT 레이저 빔(720, 722)이 통과하는 측정 채널/캐비티(710)는 가이드(735)의 전면으로부터 약 1cm 떨어져 배치된다. 도시된 예에서, RF 및 광학 빔은 선형 편광되고, 편광은 캐비티(710)의 단축(Y)을 따라 평행하게 지향된다.
도 9a는 고정 -10dBm의 주입된 마이크로파 파워에 대한 RF/마이크로파 주파수의 함수로서 상대적인 31S 리드베르크 EIT 스펙트럼 라인 시프트를 도시한다. 실험에 포함된 2.5 ~ 5.2GHz 마이크로파 주파수 범위에 대해, 적용되는 마이크로파가 임의의 리드베르크 트래지션과는 거리가 먼 공진이고, 31S 상태는 마이크로파 전기장 진폭에 비례하는 AC-스타크 시프트를 나타내도록, 31S 리드베르크 레벨이 선택된다. 도 9a에 도시된 플롯의 맨 왼쪽에서, 레이저 주파수 축은 적용된 2.5GHz 마이크로파 필드과 함께 31S 라인의 중앙에 있다. 마이크로파 주파수를 높이기 위해 31S 레벨은 약 3.5GHz에서 4.35GHz(고해상도 스캔에서 4.37 +/-0.01GHz, 여기에 도시되지 않음)의 큰 마이크로파-캐비티-유도 필드 공진으로 실질적으로 시프트하기 시작한다. 4.85GHz에서 두드러지는 공진을 포함하여 스펙트럼 내의 다른 특징들이 분명하다. 벌크 캐비티 구조(예를 들어, 전극/캐비티 정렬을 위한 알루미나 막대를 포함하는 3개의 홀(740)(도 7b에 도시)) 및 각 전극(706)의 뒷면에 긴 전극 와이어(712)의 복잡성으로 인해 이 장치에서 다중 공진은 예상되지 않는다.
도 9b는 적용된 RMS(root-mean-square) 전기장(ERMS)에 대해 31S1/2 리드베르크 상태를 중심으로 계산된 스타크 맵을 보여준다. 도 9c는 도 9a 및 9b를 사용하여 얻은 주파수 대 마이크로파 ERMS를 보여준다. 도 9d는 각각 2.5(트레이스(902)) 및 4.35GHz(트레이스(904)) 마이크로파에 대한 측정된 EIT 라인을 보여준다.
본 명세서에서 논의된 예는 희망 애플리케이션-특정 RF/마이크로파 주파수에서 높은 전기장 측정 감도를 위한 하이브리드 장치의 기하학적 구조의, 당업자에 의한 설계 선택의 문제로서, 적응성을 보여준다. 이러한 예에서, 마이크로파 전기장진폭은 분광학적으로 측정된 마이크로파 유도 AC-스타크 시프트 라인을 가우시안 함수에 피팅(fitting)하고 루비듐 31S 리드베르크 상태의 계산된 스타프 시프트를 사용하여 피크 주파수 시프트를 전기장값으로 변환함으로써, 얻어진다. 도 9b는 적용된 전기장에 대한 필드 프리 31S1/2 리드베르크 상태를 중심으로 계산된 스타크 맵을 보여준다. 도 9c는 마이크로파 주파수의 함수로서 캐비티 내부에서 측정된 결과적인 마이크로파 전기장을 보여준다. 4.35 +/- 0.05GHz 공진에서, 캐비티-향상 마이크로파 필드(ERMS>= 3.5V/cm)는 피크 위치의 0.1MHz 미만의 피팅 불확실성에 의해 주어지는, 0.3V/cm 미만의 상대 불확실성을 갖고 측정되었다.
도 9a에서, EIT 선폭은 2.5GHz에서 21.7MHz에서 4.35GHz에서 84.0MHz로 증가한다(도 9d 참조). 이러한 증가는 EIT 빔(720, 722) 및 캐비티 채널(710)이 크기가 비슷하고 캐비티 에지에서의 근접장 효과가 광학 빔에 의해 샘플링되기 때문에 발생하는 측정 볼륨의 필드 불균일성에 기인한다. EIT 빔이 원자 증기 내의 캐비티를 출입하는 9mm 길이의 캐비티 채널(710)의 단부에 있는 에지 및 코너도 이에 기여할 수 있다. 더 좁은 분광 선폭을 필요로 하는 측정 애플리케이션의 경우, 더 큰 캐비티 볼륨을 갖도록 캐비티 구조를 구현하고 및/또는 더 공간적으로 국부 화된 측정을 위해 더 작은 빔 크기를 사용함으로써 비균질 필드 확장을 완화할 수 있다.
전기장에 대한 캐비티 향상 계수를 추정하기 위해, 도 9a-9d를 참조하여 위에서 설명한 캐비티 향상 4.35GHz 필드 측정이 캐비티(710) 외부에서 측정된 필드와 비교될 수 있다. 이를 위해, EIT 빔(720, 722)은 캐비티(710)의 중심으로부터 증기 셀(702) 및 도파관(735)의 전면을 향해 Dz = -0.9mm만큼 이동된다. 캐비티 외부의 이 위치에서 측정 가능한 라인 시프트를 얻기 위해, 주입 된 마이크로파 파워는 -10에서 -5dBm까지 증가된다. 이것은 도 9a-9d의 논의에서 사용된 것과 비교하여 3.16배 더 높은 파워(및 l.78 배 더 높은 필드)이다. 이러한 조건을 고려하면 ERMS = 1.47 V/cm에 대응하는 -3.80MHz의 4.35GHz 마이크로파-필드-유도 AC-스타크 시프트가 측정된다.
캐비티 외부의 RF 필드에 대하여 이 값을 사용하고, 증가된 주입 파워를 고려하고, 작은 △ξ에 걸쳐 도파관으로부터 방출되는 필드의 변화를 무시하면(|△ξ|M = 0.03 ≪ 1, 여기서, |△ξ|=0.9 mm 는 캐비티에 대한 빔 위치이고, d=29.lmm는 도파관의 단축이다), 
의 캐비티 필드 향상 백터가 얻어지고, 이는 24dB의 감도 증가와 동등하다.
y를 따라 선형으로 편광된 1V/m의 진폭을 갖는 입사 4.37GHz 마이크로파 필드에 대한 하이브리드 원자-캐비티 구조 내부의 필드를 시뮬레이션하는 도 12를 참조하여, 시뮬레이션이 아래에서 설명된다. 이 시뮬레이션은 4.35GHz 필드에 대해 측정된 값보다 약 14% 더 높은 18.6의 향상 계수를 산출한다. 이 차이는 측정된 필드와 시뮬레이션된 필드 사이의 0.02GHz 주파수 차이로 설명될 수 있다. 이 시뮬레이션은 관심 마이크로파 주파수에 대한 벽 치수 및 재료 유전 상수를 포함하는 정확한 셀 기하학적 구조에 의존하는 유전체 셀(702)에 기인하는 마이크로파 손실을 고려하지 않는다.
하이브리드 장치의 보완적인 구현예에서, 원자 증기를 포함하는 셀에 공진 구조(510)를 삽입하는 대신, 본 발명의 범위 내에서, 원자 증기가 공진 구조 내에 포함될 수도 있다. 이는, 예를 들어, RF 파워 및 필드의 절대 레벨링을 위해 원자 측정이 기존 RF 시스템(혼 수신기, 도파관 등)에 통합될 필요가 있는 애플리케이션에서 바람직할 수 있다. 일례로서, 도 1을 참조하여 논의된 감지 요소(100), 원자 증기를 포함하는 유사한 좁은 유전체 캡슐(232)은 도 5a-5b 또는 도 7a-7d에 도시된 바와 같은 공진 구조(510)의 측정 채널(710) 내에 통합될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 공진 구조(510)는 임의의 유형의 RF 공진기 또는 컴포넌트일 수 있다.
이제, 도파관(1004) 내부에 증기 셀(1002)을 갖는 본 발명의 범위 내의 다른 구현예가 도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명되며, 여기서, 각각 일반적으로(1000)으로 지정된 필드 측정 시스템의 측면도 및 단면도가 도시되어 있다. 도파관(1004)의 홀(1006)은 EIT 커플러(1008) 및 프로브(1010) 빔의 통로를 제공한다. 이 시스템은 도파관 내부의 고-강도 필드 측정에 사용되었다. 이러한 하이브리드 시스템은 회로를 통한 파워의 절대 레벨링을 위해 기존 RF 회로에 유리하게 삽입될 수 있다. 예컨대, 혼, 다이오드, 도파관 구조 또는 동축 케이블에 원자 증기를 통합하는 하이브리드 장치는 육상, 해상, 항공 및 우주 기반 애플리케이션의 마이크로파 소스, 전송 시스템 및 기타 기기에서 측정, 보정 또는 파워 레벨링 등을 위한 다용도 소형 내부 모듈을 제공한다.
본 명세서에 설명된 바와 같이 하이브리드 원자-공진기 장치(700)를 사용하여 달성할 수 있는 절대 감도는 더 높은 주 양자수 및/또는 궤도 양자수를 갖는 리드베르크 레벨 뿐만 아니라 캐비티-향상된 RF 필드에 공진 결합된 리드베르크 상태을 구현함으로써 맞춤화되고 더 증가될 수 있으며, 이들 모두는 당업자의 설계 능력 내에 있다. 이러한 모든 향상은 본 발명의 범위 내에 있다. 필드 향상 및 감도는, 예를 들어, 지금까지 설명된 것 이외의 공진 구조 및 당업계에 알려져 있거나 미래에 발견되는 메타물질로 하이브리드 장치를 설계함으로써 추가로 맞춤화될 수 있다. 본 발명의 범위에 속하는, 원자 증기가 공진 구조 내에 통합되는 상호보완적 구현예는 원자 측정 기능을 기존의 RF 시스템(혼 수신기, 도파관 등) 및 DC 회로/컴포넌트에 통합할 때 특히 유리할 수 있다.
하이브리드 시스템의 편광 선택성
위에서 설명한 것과 같은 하이브리드 장치의 또 다른 특징은 편광에 민감한 원자-기반 필드 측정을 달성하기 위해 상이한 RF/마이크로파 편광을 구별하는 능력이다. 도 5a-5b 및 7a-7d에 도시된 캐비티 구조의 경우, 캐비티(710)는 캐비티 축(Y)를 따라 선형 편광 성분을 갖는 RF 필드만 캐비티에 결합되고 활성 측정 볼륨 내에서 필드 향상되는 RF 편광 필터로서 역할한다.
도 11a는 수직(Y 축)에 대한 마이크로파 필드 편광 벡터의 상이한 각 위치(θ)에 대한 고정 주입 파워에서의 적용된 마이크로파 주파수의 함수로서 실험적 31S 리드베르크 AC-스타크 시프트를 보여준다. 이것은 XY 평면 내의 도파관(735)(도 8a에 도시)을 Z 축을 중심으로 반시계 방향으로 θ = 0 °(Y를 따르는 짧은 도파관 축)에서 90 °(X를 따르는 짧은 도파관 축)까지 10 °씩 단계적으로 회전시킴으로써 이루어진다. θ = 0 °에서, 마이크로파 편광은 도 11a에 도시된 곡선(1102)에서 명백한 바와 같이, 캐비티로의 최대 결합을 위해 캐비티(710)의 캐비티 축과 정렬된다. θ가 증가함에 따라, 캐비티 축에 평행한 마이크로파 필드의 선형(θ = 0 °) 성분이 감소하여 신호가 감소한다. 도 10b는 도 10a에 도시된 데이터에 대한 θ의 함수로서 4.35GHz(앞서 서술한 바와 같이 31S 라인 시프트 및 계산된 Stark 맵으로부터 얻음)에서의 마이크로파 전기장을 보여준다. θ가 증가함에 따라, θ = 0 °- 마이크로파 필드 벡터의 성분(공진에 결합하는 성분)이 cos θ-의존성에 따라 감소하기 때문에 필드가 감소한다. 도 10b의 점선 곡선(1110)에 의해 제공된, 데이터에 대한 코사인-핏은 이러한 예상을 확인해주지만, 캐비티 내의 4.35GHz 필드는 약간의 전극 정렬 불량 및 표면 품질과 같은 캐비티 결함으로 인해 θ = 90 °에서 0에 도달하지 않는다. 결과적으로, 공진기에 결합되고 공진기 갭 내의 원자에 의해 검출되는 선형 편광 공진 전자기파의 파워는 cos2θ-의존성을 가지며, 여기서 θ는 위에서 정의한 마이크로파 편광 각도이다. 따라서, 이러한 캐비티 공진기는 통합형 마이크로파 편광기의 기능을 모방할 것으로 보인다.
전극 통합된 증기 셀을 활용한 DC 필드 튜닝 기능
약한 RF 필드의 리드베르크 원자 기반 측정의 주요 제한은 일반적으로 RF 필드가 큰 전기 쌍극자 모멘트 및 전기장에 대한 강한 원자 반응을 제공하는 쌍극자 허용 리드베르크 트랜지션과 공진해야 한다는 것이다. 결과적으로, 약-필드 측정은 주어진 원자 내에서 유한한 개수의 불연속 트랜지션 중 하나와 공진하는 불연속 세트의 RF 주파수에 대해서만 수행될 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 측정을 위한 충분한 원자 감도를 제공하기 위해 외부 필드를 사용하여 관심 RF 필드와 공진 또는 거의 공진하도록 원자 수준 에너지 및 트랜지션을 조정하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 처음으로 제안된 하이브리드 원자-공진기는 이러한 목적을 위해 캐비티/안테나/전극 구조 자체를 사용하여 원자에 국부적인 필드를 적용하는 실제적인 수단을 제공한다.
위에서 설명한 하이브리드 원자 공진기(700)를 사용하고 본 발명의 추가 실시예에 따르면, RF 필드 향상의 맥락에서 위에서 설명한 동일한 전극이 DC 전기장을 적용하기 위해 동시에 또는 개별적으로 사용되어, 약 RF 필드와 공진하도록 리드베르크 트랜지션 주파수를 스타크 튜닝한다. 도 13a 및 도 13b는 적용된 DC 전기장에 대한 30D 리드베르크 상태의 실험적 및 계산된 DC 스타크 맵을 각각 보여준다. 스타크 맵은 제로 필드에 대해 대칭임에 유의해야 한다. 도 13a의 실험적 스펙트럼 맵은 하나의 전극을 접지시키고 다른 전극에 전압을 인가하여 측정 채널(710) 내에 DC 필드를 생성함으로써 캐비티를 사용하여 얻어진다(도 5b에 도시됨). 도 13a의 맵은 j=2.5의 미세 구조 컴포넌트의 세 개의 |mj| = 0.5, 1.5, 2.5 서브레벨 및 j=1.5의 미세 구조 컴포넌트의 두 개의 |mj| = 0.5, 1.5 서브레벨을 보여준다. 제로 필드 및 선형 편광 광학 빔을 사용하는 경우, 도 5b에서 설명된 루비듐 EIT 래더 스킴은 5P3/2 하이퍼프메 프레임 구조에 의한 m-믹싱으로 인해 |mj| = 0.5 및 1.5 리드베르크 서브레벨을 광학적으로 여기시킨다. 이 실험적 스펙트럼에서 약한 j=2.5, |mj| = 2.5 리드베르크 레벨의 출현은 광학 빔 편광의 약간의 오정렬 또는 타원성에 기인할 수 있다.
도 13a 및 13b는 하이브리드 원자-캐비티 또는 원자 증기 또는 가스와 통합된 전극을 갖는 유사한 구조에서 DC 전기장을 사용하여 리드베르크 레벨 및 전이를 조정하는 것을 설명한다. 일례로서, 30D5/2와 3OD3/2 mj = 1.5 레벨 사이의 2-RF-광자 전이가 고려될 수 있다. 0V/cm의 전기장을 통해, 이것은 -540MHz에서 공진하는 트랜지션에 해당하며 이것은 2 개의 -270MHz RF 광자를 사용하여 2 차로 허용되는 쌍극자이다. +/- 10V/cm의 전기장에서, 상태 간의 에너지 차는 ~h*700MHz(여기서 h는 적절한 단위의 플랑크 상수)까지 증가하고, 2 개의 -350MHz RF 광자를 이용하여 허용되는 쌍극자인 트랜지션이다. 0 내지 +/- 10V/cm의 DC 필드를 적용하여, -270 내지 350MHz 중 임의의 위치에서의 RF 광자와 공진하도록 트랜지션을 지속적으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 더 높은 필드 값, 상이한 편광성 및 전기 쌍극자 모멘트를 갖는 상이한 원자 상태, 및 다중 광자 여기 프로세스를 사용하여, 본 발명의 범위 내에서 조정의 범위가 확장될 수 있다.
외부 전극을 사용한 AC-스타크 튜닝
약 Ka-대역 마이크로파 전기장의 연속 주파수 측정은 전술한 바와 같이 내부 또는 외부 튜닝 전극과 함께 적용되는 저주파 RF를 사용하는 AC-스타크 튜닝 리드베르크 트랜지션에 의해 유사하게 달성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, AC- 스타크 튜닝 100MHz RF 필드는 외부 전극을 사용하여 증기 셀에 적용되어, RF- 필드-프리 트랜지션으로부터 공진하지 않는 마이크로파와 공진하도록 트랜지션을 스타크-튜닝한다. 도 14는 100MHz RF 필드에 의해 변조된 47S 상태(1401) 및 47P 상태(1403) 모두에 대해 계산된 플로켓 스펙트럼 맵을 보여준다. 47S 및 47P 맵은 47S1/2에서 47P3/2 로의 트랜지션의 RF 유도 차동 시프트를 보여주기 위해 동일한 제로 필드 주파수에 중첩되고 참조된다. 따라서, 적용된 100MHz RF의 0 ~ 200V/cm에서, 공진 마이크로파 트랜지션은 약 200MHz까지 지속적으로 조정될 것으로 예상할 수 있다.
47S 상태에 대한 RF 강도 및 전기장 보정은 도 15에 나타나 있으며, 이는 여기 빔의 상이한 스타크 디튜닝에서 입사 RF 파워를 47S 상태의 스프팅에 매핑한다. 실험적이고 계산된 맵은 매우 일치하여, dBI = dBm + 50.5의 dBI 대 dBm 변환을 산출하고, 
를 이용하여 전기장(E0)을 산출하며, 여기서, 
이고, ε은 자유 공간 유전율이고, c는 빛의 속도이다. 도 15의 보정은 Ka-대역 마이크로파가 공진하도록 조정되는, 47S에서 47P로의 트랜지션의 희망의 차동 시프트를 위한 RF 전기장(도 14의 곡선(1405))을 설정하기 위해 사용된다.
예를 들어, 장 등의, "초저온 세슘 리드베르크 원자에서의 스타크 유도 L-혼합 간섭" Phys. Rev. A. vol. 87, 033405(2013)에 의해 보고된 바와 같이, 하이-l상태의 전기장 유도/혼합 집단의 해석에 회피 교차가 사용되었다. 도 16에서, 47S 상태의 측정된 EIT 스펙트럼 대 마이크로파 주파수는 셀 내의 4 개의 상이한 주입된 RF 파워/필드 강도에 대해 고정된 -l4dBI 마이크로파 강도(별도 보정)에서의 37.51663492 GHz(RF-프리 트랜지션 주파수)로부터 디튜닝된다. RF가 적용되지 않은 경우(도 16의 상단 플롯), 47S 라인은 RF 필드 프리 공진 트랜지션에 걸쳐 마이크로파 주파수가 스캔될 때 예상되는 오틀러-타운즈 동작을 나타낸다. 회피 교차의 중심은 오틀러-타운즈-스플릿 피크가 대칭적으로 분할되어 있는 0MHz 디튜닝에 있다. RF 파워/필드가 증가함에 따라(도면에서 아래 플롯), 회피 교차는 더 큰 마이크로파 디튜닝으로 시프트하여, AC-스타크-튜닝된 트랜지션 주파수를 추적한다. 적용된 RF -38.2dBm의 RF에서(도 16의 아래 플롯), 마이크로파는 약 60MHz의 디튜닝에서 트랜지션과 공진한다.
도 17에서, 측정된 회피 교차의 중심은 약 200 V/cm까지의 일련의 값에 대해 적용된 RF 전기장의 함수로서 플로팅된다. 바가는 +/- 10MHz의 대략적인 EIT 선폭으로 설정되는 것은 불확실하다. 도 14에 도시된 계산된 차이 시프트는 실험적 시프트와 비교하기 위해 곡선(1701)에 의해 여기서 다시 플로팅된다. 실험과 계산 사이의 일치는 거의 전체 범위에서 우수하며, 측정된 AC-스타크-시프트는 적용된 RF 필드에 대하여 예상되는 2차 의존성(quadratic dependence)을 나타낸다. 최대 RF 필드에서, 47S 및 47P 상태의 변조된 사이드 밴드 사이의 커플링과 원자-마이크로파-필드 커플링 강도의 변화는 특정 실험 조건(큰 광학 라비 주파수 및 EIT 선폭) 하에서 스펙트럼 내의 회피 교차의 중심을 식별하기 어렵게 만들며, 이는 플로팅된 측정된 값과 계산된 값 사이의 편차로 이어진다. 여기서 측정된 ~200MHz 마이크로파 디튜닝을 넘어서는 연속적인 AC-스타크 튜닝이 가능하며, 여기서, 변조된 사이드 밴드와 강 필드 내의 다른 플로켓 상태 사이의 트랜지션 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, AC-스타크 튜닝은 또한 연속 주파수 마이크로파 전기장 측정을 위해 감지 요소 내에 그러나 증기 셀 외부에 전극을 사용할 수도 있음을 이해해야 한다.
통합형 분할-링 공진기
본 발명의 범위 내에서, 필드 컨디셔닝 구조의 한 예는 도 18a-18d를 참조하여 설명된, 분할-링 공진기(1801)에 의해 제공된다. 분할-링 공진기(1801)는 전자기 스펙트럼의 마이크로파, mm-파장 및 THz 영역에서 메타물질에 일반적으로 사용되는 간단한 공진 구조이다. 분할-링 필드 증폭기는 분광학 및 집광 애플리케이션을 위한 광학 및 적외선 스펙트럼 범위에서 사용되는 마이크로스피어의 플라즈모닉 공진과 개념적 유사성을 공유한다. 원자-기반 RF 전기장감지 애플리케이션에서 저잡음 필드 증폭, 고감도 및 편광 선택성을 달성하도록 설계된 통합형 분할-링 구조를 가지는 양자 RF 감지 요소 내의 원자 증기 셀은 진보된 감지 능력을 위한 원자-캐비티 구조의 다른 실시예를 구성한다.
도 18a는 하나의 기본 유형의 분할-링 구조(단일 슬릿을 갖는 튜브형 링)의 구조를 도시한다. 공진 시, 입사 mm-파장(1803)의 전기장은 슬릿(또는 "갭")(1805)에서 압축된다. 또한, 갭(1805)은 증폭된 필드의 측정을 위해 원자 증기가 광학적으로 프로브되는 측정 채널(710)을 형성한다. 이 작동 원리는 삽도(inset)에 도시된 분할-링에 대하여 1 × 0.2 × 0.2 mm의 치수를 갖는 슬릿/갭 및 오른쪽에서 캐비티에 입사하는 수직 편광 마이크로파 필드에 대하여 도 18b에서 설명된다. 도 l8a에서, 입사 마이크로파 필드 주파수(고정 1V/m 입사 필드 진폭)의 함수로서 세 개의 상이한 갭 크기 및 기하학적 형상에 대해 이 공진기 유형의 슬릿 내부에 시뮬레이션된 전기장값이 플로팅된다. 이러한 분할-링은 14, 44 및 54GHz에서 공진을 나타내며, 필드 증폭 계수는 각각 46.8x, 74.lx 및 27.3x이다. 공진 주파수는 분할-링의 간단한 기하학적 파라미터로 설계될 수 있다. 도 18c 및 18d에서, 각 증폭 계수가 81.9x, 12.5x 및 9.4x인, 42.5, 125 및 94GHz에서 증폭을 제공하는, 사각 튜브형 구조를 포함하는, 다른 분할-링 공진기 구조의 시뮬레이션된 공진 행동이 플로팅된다. 이러한 증폭 계수는 약 20dB ~ 35dB 범위의 고유한, 비-전자적 이득에 대응한다. lmV/m를 증폭없이 대상 필드 측정 감도의 상한으로 사용하면, 42.5GHz 마이크로파의 81.9x 필드 증폭을 제공하는 하이브리드 장치는(입사 필드에 대해) 0.01mV/m 수준에서 효과적인 감도를 달성할 수 있다.
증기 셀의 필드 향상에 적용되는, 동심의 하이-Q 마이크로파 캐비티와 같은, 다른 유형의 공진기 뿐만 아니라 다른 분할-링 공진기 구조도 본 발명의 범위 내에 있다.
온도 안정화를 위한 증기 셀의 비접촉식 광학 가열
이제, 도 19a-19c와 관련하여 설명된 비접촉식 전광 증기 셀 가열은 리드베르크 RF 센서 및 하이브리드 장치를 위한 능동 증기압 제어 시스템으로서 필수 구성요소일 수 있으며, 온도 제어 하드웨어(전자 기기, 금속 와이어)는 감지기의 RF 필드 응답을 변경해서는 안된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 하나 이상의 광학 흡수 재료가 셀에 통합된다. 광학 흡수 재료는 입사 광선의 흡수 또는 비탄성 산란을 통해 가열되며, 이는 다시 더 높은 원자 증기 밀도를 위해 셀 내부의 원자 증기(또는 고체 금속)를 가열시킨다. 원자는, 예를 들어, IR 흡수 유리로 구성된 셀을 사용하여, 광학적으로 가열 되는 요소와 전도성 열 접촉할 수 있고, 또는 증기 인클로저와 열적으로 접촉하는 광학 흡수 재료 요소에 의해 간접적으로 가열될 수 있다.
가열 이외에도, 작동 중에 셀의 온도를 안정화하는 것이 중요하다. 이것은 외부 공기 온도가 셀 온도를 크게 변경시킬 수 있는 환경에서 측정을 수행할 때 중요할 수 있다. 이것은 원자 온도 및 밀도가 부피가 작기 때문에 환경적 온도 변동에 더 취약한 소형 셀(mm 미만의 수준)을 사용할 때 특히 중요하다. 이를 해결하기 위해, 본 발명의 범위 내에서, 원자 트랜지션과 공진하는 제 2 레이저 빔의 셀을 통한 광 흡수를 통해 원자 증기 온도 또는 밀도의 변화를 능동적으로 모니터링함으로써 능동적 안정화가 구현될 수 있다. 이러한 흡수 신호는 원하는 온도 및 밀도에 도달하는데 필요한 광학 가열 파워의 양에 대한 능동적 피드백을 제공한다. 또한, 셀은, 예를 들어, 광학적으로 가열된 셀과 환경 사이에 격리 진공 층을 통합시킴으로써 그것의 환경으로부터 열적으로 격리될 수 있다.
도 19a-19c를 참조하면, 리드베르크 RF 센서에 통합된 전광 증기 셀 가열 방법에 따라 IR 흡수 유리 캡슐이 밝은 광원에 의해 조명되어 원자 증기 셀이 위치하는 내부 온도를 상승시킨다. 도 19a 및 19b는 4mm 내경 원자 증기 셀(1903)을 둘러싸는 IR-유리 캡슐(1901)을 도시한다. 도 19c는 전광 가열 테스트 플랫폼을 보여준다. 50 와트 할로겐 전구와 같은 광원(1905)이 캡슐상에 이미징되고, IR 유리 캡슐(1901)의 온도는 IR 유리 캡슐 볼륨 내에 놓여진, 서미스터(미도시)와 같은 온도 센서를 사용하여 모니터링된다. 서미스터와 광원 강도 사이의 피드백 루프가 구현되어 캡슐 내부의 온도를 조절함으로써, 원자 증기 셀의 균일한 가열을 위한 안정된 작동 온도를 제공한다. 캡슐 내에 균일하게 분포된 최대 130℃의 정상 상태 온도가 일 실시예에서 달성된다. 50℃(작은 4mm 내경 Rb 셀을 사용하는 경우 전형적인 작동 온도)에서 캡슐 온도의 능동적 온도 안정화 또한 실현되었다.
변조된 레이저 필드를 사용한 RF 위상 측정 기능
이제, RF 필드의 위상을 추출하기 위해 감지 요소를 사용하는 방법이 설명된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 표면 상의 코히어런트 전기장의 위상-감지 기록은 유리하게는 모든 공간 내의 필드의 재구성을 허용할 수 있다. 이 재구성 원리의 애플리케이션은 풍부하며, 광학 분야에서의 홀로그래피, SAR 및 InSAR와 같은 간섭계 스킴에 기반한 레이더, 테스트중인 안테나에서 방출되는 필드의 진폭 및 위상에 대한 근접장 측정을 기반으로 한 안테나 방사 패턴의 원거리장 특성화를 포함한다. 나열된 최신 애플리케이션에서, 측정은 표면에서 수행되고 근접장에서 원거리장으로의 변환이 적용되어 모든 공간 내의 필드를 계산한다.
필드 측정에서 위상 감도를 달성하기 위해, 일반적으로 홀로그래픽 방법이 사용된다. 여기서, 기준 파는 물체에서 방출되는 파를 간섭한다. 현재, 고려 대상은 완전히 특징화될 필요가 있는, RF 필드를 방출하는 피시험 안테나이다. 잘 정의된 진폭 및 위상을 갖는 기준 파는 바람직하게는 원자 증기 셀 또는 하이브리드 원자-캐비티 셀 구조 내의 물체 파를 간섭하는 평면 RF 필드이다. 여기서, 셀은 원자-필드 상호 작용 볼륨이 임의의 주어진 방향에서 1 미만의 RF 파장 어크로스(across)를 측정하도록 만들어진다. 원자-필드 상호 작용 볼륨은 원자 증기, 프로브 레이저 빔 및 커플러 레이저 빔 간의 중첩에 의해 제공된다. 물체와 기준 mm-파 또는 마이크로파 필드의 코히어런트 전기장 합의 크기는 잘 확립된 방법을 사용하여 측정된다.
측정된 크기는 기준 파와 물체 파 사이의 위상차에 의존한다. 원칙적으로, 이러한 판독 값은 물체를 둘러싼 표면에서 얻을 수 있다. 이것은, 예를 들어, RF 파장보다 훨씬 작은 공간 해상도를 가진 적절한 그리드 상에서 증기 셀 센서 유닛을 이동함으로써 달성될 수 있다. 그리드 상에서 측정된 위상에 민감한 전기장 값은 물체 파의 완전한 3 차원 재구성을 허용한다. 피시험 안테나의 원거리장을 얻기 위해, 근접장/원거리장 변환을 위한 기지의 알고리즘을 사용할 수 있다. 이 측정 방법은 하이브리드 원자-캐비티 구조(상기 참조) 또는 기타 분광 기술을 사용하여 전기장 벡터에 대한 완전한 편광 감도를 포함하도록 쉽게 확장될 수 있다.
RF 필드 위상 측정에서, 잘 특성화된 기준 파의 생성은 상당한 문제를 제시한다. 비교를 위해, 먼저 광학 홀로그래피를 고려한다. 여기서, 기준 파는 일반적으로 사진 유제(photographic emulsion)(또는 동등한 물질)의 층 내에서 물체 산란을 간섭하는 확장된, 거의 완벽한 평면-파 레이저 빔이다. 광학 홀로그래피에서 기준 파의 순도가 중요하다는 것은 잘 알려져 있다. 이 시스템은 먼지 입자 및 기타 결함에 의해 야기되는 회절 링(diffraction ring)이 거의 없어야 한다. 매끄러운 유리 표면으로부터의 기준 파의 가짜 반사(spurious reflection)는 훨씬 더 큰 문제이다. RF 측정의 맥락에서, 최첨단 무향실을 사용하는 경우에도, 이 조건을 충족시키는 것은 매우 어렵다. 정량적 작업의 경우, 기준 파가 고정된 진폭 또는 적어도 잘 알려진 느리게 변하는 진폭 함수를 갖는 것도 중요하다. 넓은 표면에 걸쳐 부드러운 진폭 동작을 갖는 무결점 RF 기준 파의 준비는 큰 도전과제를 제시하며 항상 가능하지도 않다.
도 20a는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전기장의 위상 감지 측정을 위한 동작 원리 및 일반적으로(2000)으로 지정된 감지 요소 백엔드를 개략적으로 도시한다. 마이크로파 혼(2002)(MW)는 임의의 피시험 안테나 또는 다른 관심 물체 파를 나타낸다. RF 소스(2006)에 의해 구동되는 광섬유 변조기(2004)는 RF 기준 비트를 증기 셀(106) 내의 원자로 보내지는 커플러 빔(104) 상에 위상-코히어런트하게 임프린팅한다. RF 기준 비트는 일반적으로 위상 민감(홀로그래픽) 필드 측정에 필요한 기준 빔을 대체한다. 원자 기반 RF 감지 요소의 증기 셀(106)은 ~ 1mm 크기이며, 780nm 및 480nm 레이저 빔에 섬유 결합된다. 단면 섬유-결합 감지 요소(100)는 최소 유전체 프로파일를 갖는 센서 스틱(미도시) 상에 장착된다. 감지 요소와 스틱은 실제로 RF 필드 내에 있는 검출기의 유일한 부분이다. 광섬유 변조기 및 광학 위상 제어 요소는 감지 요소(100) 외부의 센서의 원격 제어 스테이션(도시되지 않음)과 통합되고, 레이저, 신호 판독 전자기기 및 분석을 위한 계산 유닛을 포함한다. 도 20b는 위상 민감 RF 전기장 측정에 사용되는 양자 기계 레벨 스킴 및 광학/RF 여기 경로를 도시한다.
이러한 실제 측정 요구를 해결하기 위해, 솔루션이 원자-기반 RF 감지 요소 및 측정에 통합된다. 작동 원리는 전기-광 변조 기술을 통해 광학 결합 레이저 빔 상에 위상-코히어런트 RF 기준을 임프린트하는 것이다. 상업적으로 이용 가능한 광섬유 고주파 변조기를 사용하여, 커플러 빔은 측정할 RF 필드의 주파수와 동일한 주파수(CORF)에서 주파수-변조 또는 진폭-변조된다. 일 구현예에서, 필드 주파수는 2 개의 이웃하는 S-타입 리드베르크 레벨 사이의 간격의 절반과 동일하도록 선택된다. 레벨 에너지와 그들의 간격은 매우 높은 정밀도로 알려져 있다. 이러한 전환에 대한 많은 선택이 존재한다. 또한, 커플러 레이저 빔(104)의 캐리어 주파수는 S-레벨 사이에서 11P3/2 리드베르크 레벨로의 트랜지션(2010)과 공진하도록 조정된다. 리드베르크 nP 레벨은 정확히 두 S 리드베르크 레벨 사이의 중간 지점에 있지 않으며, 이는 S-상태 공진으로부터 변조된 커플러 주파수(2012)의 디튜닝(D)으로 이어진다. 루비듐에서, 이러한 디튜닝은 100MHz 정도이며, 일반적으로 임의의 관련된 트랜지션의 라비 주파수보다 크다.
따라서, 하나의 결합 레이저 광자의 흡수와 RF 광자의 흡수(도 20b의 채널(B)) 또는 자극 방출(도 20b의 채널(A))을 통해 5P에서 nP 로의 트랜지션을 설명하는 2-광자 라비(Rabi) 주파수는 다음과 같이 주어진다.
여기서, 
및 
는 S 리드베르크 레벨로의 광 커플러 레이저 트랜지션의 라비 주파수이고, 
는 S 리드베르크 레벨로부터 ηP3/2 리드베르크 레벨로의 RF 트랜지션의 라비 주파수이고, 그리고 
는 RF 필드의 위상이다. 또한, 
및 
는 커플링 레이저의 변조 사이드밴드의 위상이다. 상기 식에서 
앞의 부호에 중요한 차이가 존재함을 이해해야 한다. 또한, 
이므로, RF 필드 진폭(ERF)은 
에 포함되어 있다. 여기서, 
는 RF 리드베르크-투-리드베르크 트랜지션을 위한 잘 알려진 RF 전기-다이폴 트랜지션 매트릭스 요소이다. 5P 상태와 nP 리드베르크 상태 사이의 순 결합, 
은 도 20b에서 채널(A 및 B)의 코히어런트 썸(coherent sum)에 의해 주어진다.
여기서, 간략함을 위해, 
및 
는 동일하고 두 RF 라비 주파수 모두 동일한 것으로 가정된다(이 둘 모두 우수한 근사화이다). 이러한 가정이 중요한 것은 아니지만, 수학적 설명에 도움이 된다. 광학적 위상, 
및 
는 잘 정제되어 있고 드리프트되지 않는데, 이는 변조된 결합 레이저 빔의 모든 주파수 성분이 정확히 동일한 기하학적 경로를 따르기 때문이다. 유용한 광학 컴포넌트로서, 변조된 커플러 레이저 빔의 4-프리즘 위상 제어 요소 또는 동등물은 광학 위상, 
과 
간의 차이를 제어하는데 사용된다. 이전 식에서, 순 결합이 다음과 같은 형식을 취한다는 것을 알 수 있다.
이 설명에서, RF 필드 위상(및 진폭) 측정 능력은 광 주파수 변조를 통해 RF 기준 파를 도입함으로써 달성된다. 이 접근법의 참신함은 양자 RF 감지 요소 내의 원자에 직접 적용되는 레이저 빔의 광학 변조로 대체함으로써 외부 RF 기준 파가 필요하지 않다는 점에 있다. 실제로, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 셀 통합 전극 또는 캐비티 구조(하이브리드 시스템)를 사용하거나 외부 기준 파를 사용하여 원자 기반 RF 감지 요소의 감지 원자의 위치에 기준 파가 도입될 수도 있다.
원자 증기 셀 내의 변조된 RF 감지
통신 애플리케이션의 경우, 변조된 RF 필드의 검출이 필요하다. EIT 응답 시간이 100ns 미만이기 때문에, 원자 기반 감지 요소를 양자 간섭에 의존하지 않고 RF/광 변환기로서 사용하여 고주파 필드의 진폭 및 주파수 변조가 직접 검출될 수 있다. 마찬가지로, RF 위상 변조 검출은 위에서 설명한 위상-검출 기능을 따른다. 아래에, 일반적인 시나리오들이 설명된다.
음향 주파수에서의 AM 변조: -100MHz와 수 100GHz 사이의 임의의 반송파 주파수에서, 플로켓 맵 내의 대부분의 리드베르크 상태는 수천 디바이(Debye)에 이르는 크기를 갖는 차동 동적 쌍극자 모멘트를 나타낸다. 맵 상의 EIT 라인은 커플러 및 프로브 라비 주파수에 의해 주어지는 선폭을 갖는다. 변조 목적으로, AM에 대한 빠른 EIT 응답 시간을 유지하고 EIT 라인을 수십 MHz로 확장하기 위해, 적당한 프로브 및 대형 커플러 라비 주파수가 사용될 수 있다. 반송파 RF를 EIT 테스트 셀에 적용하고 리드베르크-EIT 라인의 변곡점 중 하나에서 커플러-레이저 주파수의 작동 지점을 선택하면, RF 신호의 AM은 EIT 감지 요소의 포토 다이오드 리드아웃(readout)에서 직접 응답으로 이어질 것이다. 차동 쌍극자 모멘트(d)의 경우, 필드 내 AM 심도(dE)는 dE<h×dL/d 여야하고, 여기서 dL은 EIT 선폭이다. 따라서, 상대 변조 깊이, dE/E<h×dL/(Ed)이다. 이 값은 정확한 조건 및 감도 요구 사항에 따라 수 10%에서 1 %까지의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, AM 변조 RF 테스트 필드를 생성하기 위해 마이크로폰, 선형 증폭기 및 전압 제어 RF 감쇠기를 사용하여 음향 신호를 변환할 수 있다. EIT 테스트 신호는 안테나 또는 마이크로파 혼을 사용하여 전송된다. EIT 셀이 수신자로 사용된다. 설명된대로 작동 지점을 선택하면, EIT 프로브 포토 다이오드 신호가 음향 주파수 범위를 투과시키는 통과-대역을 통해 전송된다. 검출된 신호는 증폭되고 기록 장치 및/또는 스피커로 전송된다. 수신기 측에서의 이 방법(EIT 셀 및 EIT 프로브 레이저 신호 처리)에서는 복조가 필요하지 않다. EIT 물리학은 복조기 역할을 한다. 다른 곳으로부터의 AM 변조 전송을 검출한 때 동일한 수신기 원리가 적용될 수 있다. 안테나 수신기에 사용 된 EIT 센서 셀은 광학적으로 결합되어 있기 때문에 이를 기반으로하는 AM 수신기는 높은 EMI 및 EMP 방지 기능을 제공하며 고전압 스파이크를 견딜 수 있으며, 일반 작동 조건에서 민감한 AM 라디오 수신기를 구성한다. FM 필드의 변조는 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
인코히어런트 RF 필드 및 RF 잡음 측정 기능
본 발명 이전에, 리드베르크-EIT 시스템은 오틀러-타운즈 분할이 일관된 필드의 상호 작용을 필요로 하기 때문에 일관된 RF 필드만 특성화 할 수 있었다. 이 물리적 제약은 지금 설명하는 바와 같이 본 발명에 따라 처음으로 해제되었다. 이제, 본 발명의 실시예에 따라 RF 잡음 속성을 정량화하는 단계가 도 22를 참조하여 설명된다. 제 1 단계(2201)에서, 사전 결정된 리드베르크 원자 에너지 레벨 또는 인코히어런트 RF 잡음 필드가 존재하는 리드베르크-EIT 스펙트럼이 계산된다. 잡음이 있는 상태에서 리드베르크-EIT의 모델이 아래 섹션에 제시된다. 측정 광은 원자 증기 셀 내에서 전파되고(2203), 원자 증기의 스펙트럼 특징이 측정된다(2205). 측정된 스펙트럼 특징과 계산된 스펙트럼 특징을 비교하고(2207) 일치하는 스펙트럼을 식별한다(2209). 이것은 스펙트럼 잡음 밀도, 스펙트럼 전력, 전기장진폭, 편파, RF 잡음 필드 전파 방향 및 RF 잡음을 발출할 수 있는 혼 안테나의 이득과 같은 소스 특징을 포함하여, 인코히어런트 RF 잡음의 존재 및 RF 잡음의 속성의 정량화(2211)를 제공한다.
원자 증기 내의 리드베르크 EIT 및 오틀러-타운즈를 사용한 RF 전기장측정에서, EIT 프로브 빔은 두 개의 원자 레벨 |l> 및 |2>를 결합하고, EIT 결합 빔은 레벨 |2>를 리드베르크 레벨 |3>과 결합시키고, 및 측정될 RF 필드는 레벨 |3>를 다른 리드베르크 레벨 |4>과 결합시킨다. RF 구동 트랜지션의 라비 주파수, 
는 EIT 스펙트럼에서 관찰된 두 라인의 오틀러-타운즈(AT) 분할에서 분명해지며, 이는 기본 원자 물리학 계산을 통해 전기장으로 이어진다. 이러한 유형의 원자 기반 RF 전기장측정에서 광대역 RF 전기장잡음의 영향을 고려하면, 광대역 마이크로파 잡음의 영향에 대한 정량적 설명이 필요하다. 마이크로파 증폭기가 일반적으로 증폭기의 출력에 광대역 잡음을 추가하기 때문에 고려되는 상황은 매우 일반적일 수 있고, 잡음은 원자 기반 전기장 측정에 영향을 미칠 것이다.
일반적인 실험 테스트 상황을 따르기 위해, 이 처리에서는 진폭이 측정되어야 하는 코히어런트 마이크로파 신호와 잡음 신호 모두 혼의 원거리장 한계 보다 큰 거리에 위치하는 공통 마이크로파 혼으로부터 전달되는 것으로 가정된다. 여기에 설명된 기본 이론은 잡음 유도 효과의 물리학을 설명하기에 충분하다. 이 이론은 나중에 더 일반적인 유형의 필드 지오메트리를 다루도록 확장되어,(실질적으로 새로운 기본 물리학의 통찰을 추가하지 않고도) 더 넓은 범위의 사용을 가능하게 할 수 있다.
리드베르크 원자 시스템에 대한 광대역 잡음의 영향은 두 주요 부분으로 구성된다. 코히어런트 소스(레이저, 코히어런트 마이크로파 방사)로 채워진 리드베르크 레벨 |3> 및 |4>는 리드베르크 상태 간의 트랜지션과 공진하는 잡음 스펙트럼의 주파수 성분으로 인해 다른 리드베르크 레벨로 트랜지션할 수 있다. 이 과정은 흑체 복사에 의해 유도되는 감쇠와 유사하다. 방사선 필드가 양자화되고 트랜지션 속도가 페르미(Fermi)의 황금률에서 얻어지고 액세스 가능한 최종 각운동량 상태 및 가능한 필드 편광을 합산하는 일반적인 처리는(마이크로파 혼의 형상에 의해 주어지는) 잘 형성된 편광 및 전파 방향을 가지는 잡음 필드에 적용되도록 수정될 필요가 있다. 또한, 필드의 흑체 에너지 밀도는 상황-특정 잡음 특성으로 대체되어야 한다. 원자의 위치에서, 잡음은 스펙트럼 강도, 즉 W/(m2Hz) 단위로 측정된 주파수 인터벌당 잡음 강도를 가지며, 이는 알려진 것이거나 실제로 연구 대상이 될 수 있다.
측정될 코히어런트 마이크로파 필드 및 잡음이 동일한 마이크로파 혼을 통해 원자에 적용되고, 그 원자가 그 혼의 원거리장에 위치한다고 가정된 RF 필드 테스트 시나리오를 모델링하기 위해, 한 차원에서만 필드를 양자화하고(혼에서 나오는 마이크로파 필드의 전파 방향) 고정된 필드 편광을 가정한다. 초기 상태 |i>에서 최종 상태 |f> 로의 잡음 유도 트랜지션 속도(Rfi)에 대하여, 분석 결과는 다음과 같다.
여기서, n은 필드 편광 단위 벡터이고, vfi는 전이 주파수, (Ef-Ei)/h이며, Ef 및 Ei는 초기 및 최종 리드베르크 레벨의 에너지를 나타낸다. 이 속도는 SI 단위이며 "/원자 및 /s"의 단위를 가진다. 
임을 이해해야 한다. 주어진 관심 상태(현재의 경우 |3> 및 |4>로 표시됨)에 대해 기지의 잡음 스펙트럼, 
에 대한 속도, Rfi를 계산한다.
가정된 측정 시나리오에서, 측정될 코히어런트 마이크로파 필드는 리드베르크 상태 |3>과 |4> 간의 트랜지션을 유도한다. 잡음 스펙트럼이 트랜지션 |3> 및 |4>을 커버한다면, 잡음 유도 트랜지션은 동일한 속도, 
를 갖는 2 개의 잡음 유도 양방향 감쇠 항의 형태로 마스터 식에 포함되어야 한다. 레벨 |3> 또는 |4> 또는 이둘 모두 포함하는 임의의 비 대각선 밀도 매트릭스 요소의 코히어런트 감쇠 속도에 R34 및 R43을 더 포함시킬 필요가 있다.
코히어런트하게 유도되는 
트랜지션과 상이한 트랜지션 
및 
의 경우, 잡음은 
및 
의 원자당 속도의 트랜지션을 유도한다. 소음-포풀레이티드 레벨 |f>은 서로간에 그리고 임의의 레벨 |1>-|4>과 일관성을 갖지 않는데, 이는 잡음 유도 트랜지션이 랜덤 양자 위상을 갖기 때문이다. 따라서, 레벨 |3>으로부터 채워지는 모든 레벨 |f>은 잡음으로 인해, 가상 레벨 |d>로 럼핑(lumped)될 수 있다. 마찬가지로, 레벨 |4>로부터 채워지는 모든 레벨 |f>은 가상 레벨 |e>로 럼핑될 수 있다. 전기 쌍극자 선택 규칙으로 인해,(잡음에 의해 레벨 |3>으로부터 채워지는) 가상 레벨 |d>로 럼핑된 레벨과 (잡음에 의해 레벨 |4>으로부터 채워지는) 가상 레벨 |e>로 럼핑된 레벨 사이에 중첩은 존재하지 않는다.
가상 레벨으로의 순 비율은 다음과 같다.
또한 
이고, 
이다. 잡음은 또한 동일한 필드 양자화 모델을 기반으로 2 차 섭동 이론을 사용하여 계산된 AC 시프트를 유도한다.
레벨 |i> = |3> 또는 I 4>의 시프트는 아래와 같다.
적분 한계, Vmin 및 Vmax는 전체 잡음 스펙트럼이 커버될 수 있을 만큼 충분히 넓게 선택된다. (예상하는 바와 같이) 
항으로 인해, 트랜지션 주파수의 부호가 중요함을 이해해야 한다. 레벨 |3> 및 |4>의 AC 시프트는 잡음-유도 디튜닝 항으로서 마스터 식에 추가되어야 할 것이다. 가상 레벨 |d> 및 |e>로의 그들의 럼핑을 통해 이러한 모델에 포함된 다른 모든 리드베르크 레벨의 잡음 유도 AC 시프트는 중요하지 않다.
위의 세 식을 비교하면 AC 시프트가 감쇠보다 계산하기가 더 어렵다는 것을 알 수 있다. 감쇠의 경우 잡음 대역 내에 있는 주파수를 갖는 트랜지션만 효과가 있으며, 잡음 스펙트럼 밀도는 이러한 주파수에서만 필요하다. 일반적으로 잡음 대역 내에서, 레벨 |3> 또는 |4>을 포함하는 리드베르크-리드베르크 트랜지션은 거의 없거나, 때때로 심지어 없을 수도 있다. 이와 대조적으로, 잡음 대역 외부의 주파수를 가진 트랜지션을 포함하여, 레벨 |3> 또는 |4>을 포함하는 모든 허용된 트랜지션은 원칙적으로 위의 식과 관련이 있다. 또한, 이러한 트랜지션 각각에 대해 전체 잡음 대역에 대한 적분이 평가될 필요가 있다. 잡음 대역 내의 트랜지션의 경우, 극성 때문에 약간의 주의가 필요하다.
상기 식을 평가하기 위해, 잡음 스펙트럼 강도 함수, Iv(v)가 필요하다. 많은 시나리오에서, 사용자는 스펙트럼 분석기를 사용하여 혼에 주입된 잡음의 파워 스펙트럼 밀도 함수, dP/dv를 측정할 수 있을 것이다. 교과서에서 사용할 수 있는 전파 식은 아래와 같은 Iv(v)에 대한 방정식을 생성한다.
여기서, dP/dv는 W/Hz 단위로 삽입되고, 혼으로부터의 거리, x는 미터 단위로 삽입된다. 스펙트럼 파워(dP/dv)는 혼에 주입되는 총 잡음 파워(와트)에 통합되도록 정규화된다. 혼의 선형 이득(gL(V))는 혼의 제조업체의 사양에 의해 전형적으로 제공된다. 그 다음, Iv(v)에 대한 결과는 위의 방정식에 입력되어, 잡음 유도된 감쇠율 및 AC 레벨 시프트가 얻어진다.
상기 식의 결과로, 이 문제의 4 레벨 마스터 식은 2 차까지의 잡음의 영향을 포함하도록 확장될 수 있다. 이 마스터 식의 상태 공간은 순 인구, pdd 및 pee을 보유 할 것이고, 각 레벨 |3> 및 |4>(전기장이 측정되는 코히어런트 마이크로파 신호에 의해 결합된 레벨)의 소음에 의해 전달되는의 소음에 의해 전달되는 가상의 "레벨" |d> 및 |e>에 의해 수정된다. 수정된 마스터 식은 리드베르크 상태 |3> 및 |4>의 레벨 포풀레이션에 대한 식에 추가 항을 포함한다.
또한, 레벨 |3> 및/또는 |4>을 포함하는 일관성의 감쇠에 대한 식은 그들이 모든 
, 
및 
항을 포함하도록 수정되어야 한다. 가상 레벨 |d> 및 |e> 대한 새로운 식은 다음과 같다.
수정된 마스터 식은 가상 레벨에 대한 임의의 일관성에 대한 식을 포함하지 않는다(가상 레벨과 관련된 일관성은 항상 동일하게 0이다). 이러한 모든 항으로 표준 4-레벨 마스터 식을 수정한 후, 그것은 EIT 스펙트럼을 추출하는데 필요한 커플러-레이저 주파수의 함수로서 일관성(pl2)을 산출하는 표준 방법을 사용하여 풀어진다.
예를 들어, 모델 EIT 스펙트럼은 사용된 주어진 원자 증기 및 셀 온도에 대해, 커플러-레이저 디튜닝(a(Ac))의 함수로서 매체 내의 비어(Beer)의 흡수 계수를 계산함으로써 얻을 수 있다. 이것은, 각각의 속도 클래스가 커플러 및 프로브 빔의 고유한 도플러 시프트를 가지기 때문에, 셀 내의 맥스웰 속도 분포에 대한 적분을 포함함을 이해해야 한다. 입력 및 출력 프로브 파워의 비율은 e-αL로 주어지며 여기서 L은 셀 길이이다. 모든 잡음-유도 트랜지션, <f|r|i>에 대한 계산된 원자-특정 매트릭스 요소 및 실험적으로 사용 가능한 모든 입력을 사용한 후, 모델 결과를 조정하기 위한 적절한 파라미터는 남지 않음을 이해해야 한다. 이것은 광대역 잡음의 영향 하에서 리드베르크-EIT-AT 스펙트럼의 측정된 스펙트럼과 모델링된 스펙트럼을 비교할 때, 절대적인 핏-프리(fit-free) 일치를 야기한다.
강한 원자-필드 상호 작용 체제를 사용한 연속-주파수 RF 전기장 측정 기능
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "강한 원자-필드 상호 작용 체제"는 관찰된 스펙트럼 라인 분할을 설명하기 위해 2 단계 처리가 충분한 오틀러-타운즈 체제의 전기장 강도를 초과하는 전기장 강도를 특징으로하는 마이크로파 필드를 의미한다. 강한 원자-필드 상호 작용 체제에서 RF 전기장을 측정하기 위해, 높은 밀도의 상태, 다양한 차등 동적 쌍극자 모멘트 및 다중 회피 교차를 나타내는 플로켓 상태가 고려된다. 이러한 처리는 본 발명의 일 실시예에 따라 처음으로 제안된다.
플라즈마 진단
본 발명의 실시예에 따른 특정 방법은 플라즈마 필드, 입자 상호작용 및 파라미터의 측정을 위해 플라즈마 내장 입자 또는 플라즈마 구성 성분에 대한 전자기 유도 투과를 사용하는 플라즈마 진단이라 지칭될 수 있다. 큰 동적 범위를 갖는 매우 민감한 국부 전기장 센서로서 역할하는 플라즈마 내장 리드베르크 원자의 에너지 레벨 시프트의 고해상도 양자-광학 프로브로서, 전자기 유도 투과(EIT) 또는 전자기 유도 흡수(EIA)를 사용하는 플라즈마 필드 측정 및 진단을 위한 방법이 설명된다.
이제, EIT 기반 플라즈마 진단의 일 실시예가 도 23a-23c를 참조하여 설명된다. 루비듐 또는 EIT에 적합한 다른 종의 추적 입자는 그것의 생성 중에 플라즈마(2300)에 통합된다. 추적 원자는 도시된 바와 같이 플라즈마 내의 추적 원자와 공간적으로 중첩 되는 EIT 빔(2303)을 갖는 EIT를 사용하여 광학적으로 조사된다. 관련 원자 레벨 구조 및 리드베르크-EIT 구성은 5S1/2에서 5P3/2 D2 로의 트랜지션과 공진하는 주파수의 780nm 프로브 레이저 빔(2320) 및 주파수가 5P3/2에서 리드베르크 상태로의 트랜지션 주변에서 스캔되는 주파수인 역 전파 480nm 커플러 빔(2322)으로 구성된 도 23c의 루비듐 원자에 대해 설명된다. 이 예에서는, 58S 리드베르크 상태가 선택된다. EIT 빔은 플라즈마(2300)(일반적으로 -100 마이크로미터) 내에서 EIT 신호 강도 및 원하는 공간 해상도를 최적화하기 위해 빔 웨이스트(beam waist)에 중첩되고 집중된다. 프로브 투과는 판독을 위해 광 검출기(2306)에서 검출된다. 커플러 빔이 리드베르크 상태 공진을 통해 스캔될 때, 커플러 주파수가 5P와 리드베르크 상태 공진을 일치시키고, 프로브 투과의 감소가 검출된 때 추적 원자는 프로브 빛에 대해 투명해진다. 이러한 방식으로, 플라즈마 환경(필드, 입자)에 취약한 플라즈마 내의 추적 원자에 대해 리드베르크-EIT 분광법이 수행된다. EIT 스펙트럼으로부터, 그 다음 플라즈마 필드 및 입자에 대한 정보가 플라즈마 유도된 리드베르크 선 시프트 및 선 형상 변화로부터 얻어지며, 이는 높은 정밀도로 계산될 수 있다.
저-각운동량 리드베르크 상태의 편광은 ~n7로 스케일되며, 여기서 n은 주양자수이다. 이 강력한 스케일링은 측정을 위해 원하는 리드베르크 레벨을 목표로 하는 커플러 레이저 주파수를 조정하여 진단을 위한 넓은 필드 측정 및 감도 범위를 제공한다.
플라즈마 과학 및 애플리케이션에서, 플라즈마는 플라즈마의 특성에 직접적인 영향을 미치는 자기장을 사용하여 한정될 수 있다. 또한, 플라즈마 내부의 전하 전류에서 발생하는 자기장은 그 자체로 중요하다. 또한, EIT 플라즈마 진단은 동일한 방법론에 따라 플라즈마 자기장의 측정에도 사용할 수 있다. 자기장 내의 리드베르크 원자의 계산 된 스펙트럼과 결합된 자기장 및 전기장의 스펙트럼은 자기적으로 한정된 플라즈마 내의 추적 원자로부터의 측정된 EIT 스펙트럼이 그것의 대응하는 전기장및/또는 자기장 상에 맵핑되게 할 수 있다.
도 23b를 참조하여 설명된 진단의 다른 실시예에서, 추적 원자 다발(2330)은 자기-광학 트랩에서 수집된 원자와 같은 저온 원자 소스(2332)로부터 생성되고, 펄스 푸셔 빔(2334)을 사용하여 관심 플라즈마로 주입된다. 마찬가지로, 고온 원자 또는 분자의 펄스 빔이 사용될 수도 있다. 원자는 플라즈마 및 그 환경과 상호 작용할 수있는 플라즈마로 시드(seed)된다. 그 다음, 플라즈마 내의 원자 다발과 공간 및 시간적으로 중첩되는 리드베르크-EIT 광학 프로브(2336)를 사용하여 원자를 광학적으로 조사한다. 광학 프로브 투과는 판독 및 분석을 위해 광 검출기(2306)에서 유사하게 검출된다.
이 구성에서, 마이크로채널 플레이트(MCP: microchannel plate)와 같은 입자 수집기/검출기(2340) 또한 통합될 수 있고, 그것이 플라즈마와 상호 작용할 때, 또는 유사하게 원자와 플라즈마 구성 성분 간의 상호 작용으로 인한 전하/분자의 검출에 의해, 플라즈마를 통과하는 원자 다발 플럭스를 측정하고 그 원자 다발로부터 충돌-유도 손실을 통해 플라즈마 밀도에 대한 추가 정보를 제공하기 위해 사용된다.
원자 고 자기장 센서 및 측정 방법
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 고 자기장 감지 및 측정을 위한 새로운 프로브 기술의 기초가 되는 방법이 개시된다.
본 명세서에 설명된 필드 측정 방법은 작은(약 1cm 직경 이하) 유리 셀 내에 캡슐화된 저밀도 원자 증기의 원자 분광법에 기초한다. 원자-기반 필드 측정 방법에서, 레이저 빔은 지만 효과로 인한 야기된 자기장-유도 원자 에너지 레벨 시프트를 측정하는데 사용된다. 진보된 구현예에서, 강 필드에서 더 높은 감도에 도달하기 위해 자기장에 대한 고도로 여기된 리드베르크 원자의 과장된 반자성 응답을 활용할 것을 제안한다. 0.1T를 몇 배 초과하는 자기장은 리드베르크 상태의 하이퍼프미 레벨을 복수의 지만 서브레벨로 분할하고, 약-필드(선형 지만) 체제에서 파셴백 체제로 전환한다. 결과적인 포화 흡수 스펙트럼은 훨씬 더 넓게 퍼진 선을 나타내며, 핵과 전자 스핀의 디커플링으로 인해 교차 공진은 사라진다. 절대 라인 위치와 이들 간의 상대적 분리는 우수한 자기장 마커이다.
도 25a에 도시된 포화 분광법은 도플러 효과로 인한 불균일한 라인 확장을 제거하는 잘 알려진 방법이다. 이것은 원자 및 분자 트랜지션 및 외부 필드로 인한 그들의 시프트에 대한 정확한 분광 정보를 얻기 위해 이러한 방법을 필요로 하는 과학 및 기술 분야에서 광범위하게 사용된다. 약 자기장에서 알칼리 원자의 포화 분광법에서, 도 25a에서 상징적으로 |2> 및 |2'>로 표시되는, 여기 상태의 하이퍼프미 레벨은 도플러 폭보다 작게 분할되고, 이는 주어진 도플러-확장된 흡수 선의 프로브 레이저 스펙트럼 내의 다중 포화 피크와 교차 공진을 유발한다. 교과서 양자 역학에서 알 수 있듯이, 0.1T의 몇 배를 초과하는 자기장에서 하이퍼프미 레벨은 복수의 지만 서브 레벨로 분할되고, 약-필드(선형 지만) 체제에서 파셴백 체제로 전환한다. 결과적인 포화 흡수 스펙트럼은 훨씬 더 넓게 퍼진 선을 나타내며, 핵과 전자 스핀의 디커플링으로 인해 교차 공진은 사라진다. 절대 라인 위치 및 이들 간 상대적 분리는 우수한 자기장 마커이다.
본 발명에 따라, 강한 자기장은 도 24a-24c에 도시된 바와 같이, 리드베르크 레벨의 표준 포화 분광법, 또는 도 25a-25c에 도시된 바와 같이, 3-레벨 원자 구조 내의 2 개의 여기 경로가 파괴적으로 간섭하고 사용되는 레이저 빔 중 하나의 투과를 증가시키는 양자 간섭 프로세스 중 하나를 사용하여 측정된다. 각각의 경우, 도 24a 및 도 25a는 2-레벨 및 3-레벨 시스템에 대한 각각의 양자 레벨 스킴을 보여주고, 도 24b 및 25b는 원자 증기 셀(106)로의 전자기장의 결합을 보여준다. 도 24c는 0.7T 자기장에서의 루비듐의 포화 스펙트럼을 나타낸다. 선 위치와 그들의 상대적 분리는 분광 셀 내에 존재하는 자기장을 나타낸다.
도 25a-25c에 도시된 EIT의 분광법에서, 3 레벨 원자 구조의 두 여기 경로가 파괴적으로 간섭하고 사용되는 레이저 빔 중 하나의 투과를 증가시키는 양자 간섭 프로세스가 사용된다. 결과적인 EIT 투과 윈도우는 원자 에너지 레벨 및임 의의 외부 필드(여기서는 자기장)에 대한 그들의 응답에 대한 편리한 광학적 판독값을 제공한다. 리드베르크-EIT 캐스케이드 스킴에서, 투과는 그라운드 상태 및 리드베르크 상태의 코히어런트 중첩에 의해 형성된다. 리드베르크-EIT는 저온 원자 가스 및 도 1에 도시된 것과 같은 실온 증기 셀 모두에서 구현되었다.
루비듐의 포화 및 EIT 분광과 가장 관련이 있는 원자 상태는 5SI/2 그라운드, 5P3/2 여기 및 nSi/2, nD5/2 및 nD3/2 루비듐의 리드베르크 상태이다. 관심있는 자기장에서, 이들은 모두 하이퍼프미 구조의 파셴백 체제 내에 있다. 중간 상태는 미세 구조의(선형) 지만 체제에 있고, 반면 리드베르크 상태는 일반적으로 미세 구조의 파셴백 체제 내에 있다. 또한, 리드베르크 상태는 일반적으로 원자 반자성으로 인해 강한 시프트를 갖는다.
큰 크기로 인해, 리드베르크 원자는 큰 반자성 시프트(diamagnetic shift)를 겪는다. S형 리드베르크 상태의 경우, 리드베르크 상태 에너지 세프트는 원자 단위로 다음과 같다.
여기서, n, l, mi, ms는 각각 주 양자수, 방위 양자수, 자기 양자수, 스핀 양자수이다. S-상태의 경우, l = ml = 0이다. 좌표 r 및 q는 리드베르크 전자의 구형 좌표이다(자기장은 z를 따라 포인팅함). 시프트는 스핀 지만 항(오른쪽 첫 번째 항)과 반자성 항(오른쪽 두 번째 항)으로 구성된다. 각각의 미분 자기 모멘트는 자기장(B)에 대한 음의 미분이다. 보어 마그네톤(Bohr magneton)이 원자 단위로 ½이고, 방사형 매트릭스 요소가 n4로 스케일링된다는 점에 주목하면, 보어 마그네톤의 반 자자성 미분 자기 모멘트는 n4 B/2이다. l-테슬라 필드(원자 단위로 4.25 x 10-6)에서, 반자성은 n이 약 25보다 클 때 상자성(스핀) 차동 쌍극자 모멘트를 초과한다. 쉽게 접근할 수 있는 n = 50에서, 반자성은 상자성 차동 쌍극자 모멘트를 약 16배 초과한다. 따라서, 강 자기장에서, 리드베르크 원자의 반자성 효과는 작은 자기장 변화에 대한 민감도를 수십 배 증가시킨다. 양자-혼란 행동의 역할을 포함한, 추가적인 양상들은 마 등의 "증기 셀 전자기 유도 투과에서의 리드베르크 상태 반자성 및 파셴백 효과, Phys. Rev. A vo. 95, 06l804(R),(2017년 6월 27일)에 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 속성을 정량화하는 단계가 도 21을 참조하여 설명된다. 제 1 단계(2101)에서, 사전 결정된 리드베르크 원자 에너지 수준 또는 강 자기장에서의 리드베르크-EIT 스펙트럼이 계산된다. FM 변조된 측정 광은 원자 증기 셀에서 전파되고(2103), 원자 증기의 스펙트럼 특징이 측정된다(2105). 측정된 스펙트럼 특징은 계산된 스펙트럼 특징과 비교되고(2107) 일치하는 스펙트럼이 식별된다(2109). 이것은 자기장 속성(2111)을 정량화를 제공한다.
원자-기반 광학 RF-파워/전압 변환기 및 센서.
이제, 본 발명의 다른 형태가 도 26a 및 26b를 참조하여 설명된다. 도 26a는 일반적으로(2600)으로 지정된 하이브리드 원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기 및 센서를 개략적으로 도시한다. 하이브리드 원자-기반 광학 RF-파워/전압 변환기 및 센서(2600)는 관심있는 RF 신호를 셀 내 전기장(필드-민감 원자 상태의 분광법을 통해 광학적으로 측정됨)으로 변환하기 위해 RF 수신기 또는 회로(2608)에 내장된 통합 전극(2604)을 갖는 원자 증기 셀(2602)을 사용한다. RF 전기 신호를 원자-매개 광학 판독값으로 직접 변환함으로써, 이 원자-기반 변환기는 파워 또는 전압의 높은 대역폭(DC에서 THz) 절대(원자적) 측정을 제공한다. 60Hz 전기 신호 측정에서 이러한 원자 기반 변환기의 설명이 도 26b에 도시되어 있으며, 마이크로파의 픽업에서 안테나의 베이스에서 RF 수신기 요소로서 유리하게 사용될 수 있다. 측정 및 수신기 케이스 모두에서, 원자 셀의 분광 판독값은 관심있는 전기 또는 전자기 신호의 파워-등가 필드를 검출 및 판정하는데 사용된다.
도 26b는 6 개의 전압 레벨에 대해 전극에 적용되는 60Hz 전기 신호에 대한 원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기로부터의 판독값의 플롯을 보여준다. 광학 레이저는 필드에 민감한 원자 리드베르크 상태와 거의 공진하며, 증기를 통한 프로브 레이저의 투과가 검출된다. 그 다음 검출된 투과 신호를 기지의 원자 응답과 비교하여 필드-등가 파워를 판정한다. 선택한 전극 및 구조의 상세한 기하학적 형상, 및 사용되는 선택한 재료의 전기 및 열적 특성으로부터, 원자 검출기 판독값은 RF 파워/전압의 원자 보정에 사용될 수 있다.
원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기 및 센서는 일반적으로(2700)으로 지정되고 도 27a 및 27b를 참조하여 설명된다. 원자-기반 광학 RF 파워/전압 변환기 및 센서(2700)는 내부 전도성 플레이트가 통합된 작은 원통형 세슘 증기 셀로 구성된다. 전도성 플레이트 또는 전극은 4mm 이격된 0.5mm 두께의 링이며, 그 각각은 그 한쪽면에서 셀 몸체에 융합되고, 다른쪽면에서 윈도우들과 융합된다. 결과적으로, 셀을 통과하는 총 경로 길이는 5mm이다. 셀의 내경 및 외경은 각각 3.4mm 및 5mm이고, 전극 링의 내경 및 외경은 각각 2mm 및 5mm이다. 따라서, 2 개의 0.7mm 두께 링 전극은 외부 전기 연결이 이루어지는 증기 셀 내에 내장되어 있다.
원자 증기(2701)는 원자의 리드베르크 상태로의 여기에 사용되는 광학 빔에 투명한 윈도우(2705) 및 생성된 EM 필드의 추출을 위해 광학적으로 여기된 원자 매체에 의해 생성된 EM 필드에 대해 투명한 다른 통합된 윈도우(2707)를 갖는 원자 증기 셀 구획(2703) 내에 담겨 있다. EM 필터(2710)는 리드베르크 EIT 프로브 및 커플러 빔(103 및 104)의 투과를 배제한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 단지 예시로서 의도된 것이다. 변형 및 수정은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 모든 변경 및 수정은 임의의 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도되었다.
본 발명의 주제에 관한 추가 교시는 또한 본 명세서에 참조로 포함된 아래의 간행물에서 찾을 수 있다:
· 앤더슨 등의, "편광-선택 필드 향상 공진기를 사용한 무선 주파수 필드 감지를 위한 증기 셀 원자 센서", Appl Phys. Lett.. vol. 113, 073501(2018)
· 시몬스 등의, "대역 제한 백색 가우스 잡음의 존재 하에서의 EIT(Electromagnetically Induced Transparency) 및 AT(Autler-Townes) 분할", J. Appl Phvs. vol. 123, 203105(2018).
Claims (56)
- 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법으로서,
a. 인클로저 내에 포함된 가스의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 선택적으로 여기시키는 단계;
b. 상기 제 1 전자기장 내에 상기 인클로저를 배치시키는 단계;
c. 기준 전자기장으로 제1 전자기장을 간섭시키는 단계;
d. 상기 가스의 원자를 가로 지르는 경로를 따라 적어도 하나의 레이저 빔의 투과를 측정하는 단계; 및
e. 적어도 측정된 상기 레이저 빔 투과에 기초하여, 상기 제 1 전자기장의 위상, 필드 진폭 또는 편광 중 하나를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 가스는 원자 증기인 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 원자 증기의 원자는 루비듐, 세슘, 알칼리 및 알칼리 토 원자를 포함하는 원자 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 단계는 전자기 유도 투과 및 전자기 유도 흡수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 투과의 변화는 오틀러-타운즈(Autler-Townes) 분할을 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자기장은 단색성(monochromatic)이고, 상기 제 1 전자기장의 위상은 기준 위상(fiducial phase)에 상대적인 위상인 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1의 단색성 전자기장의 위상은 비선형 광학 요소를 사용하여 다른 전자기장 중 하나의 전자기장을 변조하는 RF 필드의 기준 위상에 상대적인 위상인 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자기장은 추가적인 정적 또는 무선 주파수 필드와 중첩되어 상기 제 1 전자기장을 원자 트랜지션과 공진하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자기장은 상기 측정하는 단계 이전에 변조되는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 변조는 주파수 변조, 진폭 변조, 및 스텝-변조 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리드베르크 상태의 분포는 원자와 무선 주파수 필드 사이의 상호 작용에 대해 0이 아닌 쌍극자 모멘트를 가지는 적어도 한 쌍의 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
a. 상기 제 1 전자기장에 존재하거나 제 1 전자기장을 구성하는 인코히어런트 RF 잡음 필드의 사전 결정된 리드베르크 원자 에너지 레벨 또는 리드베르크-EIT 투과 스펙트럼을 계산하는 단계;
b. 제1항의 측정된 투과 특성을 계산된 투과 스펙트럼과 비교하고 일치하는 스펙트럼을 식별하는 단계; 및
c. 인코히어런트 RF 잡음 필드의 스펙트럼 잡음의 밀도, 스펙트럼 전력, 전기장 진폭, 편광, 또는 전파 방향 중 하나를 도출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
a. 강한 정적인 또는 저주파의 자기장과 동일한 제 1 전자기장 내의 원자에 대해 사전 결정된 리드베르크 원자 에너지 레벨 또는 투과 스펙트럼을 계산하는 단계;
b. 제1항의 측정된 투과 특성을 계산된 투과 스펙트럼과 비교하고 일치하는 스펙트럼을 식별하는 단계; 및
c. 강한 자기장의 필드 강도를 도출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법. - 제 13 항에 있어서, 상기 빛은 진폭 변조 또는 주파수 변조된 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 사전 결정된 원자 에너지 레벨 또는 투과 스펙트럼은 리드베르크 원자 상태 또는 로우-라잉 원자 상태에 대한 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 필드 강도는 하나 이상의 원자 동위 원소 또는 종을 이용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 제 1 전자기장을 감지 또는 측정하는 방법.
- 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서로서,
a. 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나;
b. 컨디셔닝 재료 또는 구조 내에 배치된 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기;
c. 상기 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 레이저 빔;
d. 상기 원자 증기의 횡단 후 레이저 빔을 검출하고 검출기 신호를 생성하는 검출기; 및
e. 적어도 상기 검출기 신호에 기초하여 상기 전자기장을 특징짓는 파라미터를 도출하기 위한 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서. - 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 RF 공진기인 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 도파관인 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 메타물질인 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 하나 이상의 전극인 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 및 구조 중 적어도 하나는 도전성이고 전류 또는 전압을 원자 증기 내의 전자기장으로 변환함으로써 전자기장을 컨디셔닝하고, 상기 전류 또는 전압 또는 연관된 저항을 통한 전력은 상기 검출기 신호로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 여기 소스는 상기 원자 증기 내에 전자기 유도 투과 또는 전자기 유도 흡수를 설정하기(establish) 위한 하나 이상의 광선을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17에 있어서, 상기 원자 증기를 담고 있는 상기 인클로저는 유리 증기 셀인 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장을 컨디셔닝하기 위한 재료 또는 구조는 상기 원자 증기 인클로저에 들어오거나 나가는 전자기장에 대한 주파수 선택 필터 또는 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 검출기는 상기 원자 증기의 여기 및 방출에 의해 생성된 전자기장을 검출하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 17 항에 있어서, 상기 전자기장은 정상(standing) 전자기파 및 진행 전자기파 중 적어도 하나와 연관된 것을 특징으로 하는 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 리드베르크 원자를 통해 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서로서,
a. 광 흡수 표면을 포함하는 인클로저 내에 담겨 있는 원자 증기;
b. 상기 광 흡수 표면에 입사하는 가열 빔의 소스;
c. 상기 원자 증기의 원자를 리드베르크 상태의 분포로 여기시키는 여기 소스;
d. 상기 원자 증기의 횡단 후 프로브 빔을 검출하고 검출기 신호를 생성하는 검출기; 및
e. 상기 원자 증기를 특징짓는 온도를 조절하는 방식으로 상기 가열 빔을 조절하기 위한 프로세서;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드베르크 원자를 통해 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서. - 제 29 항에 있어서, 상기 광 흡수 표면은 필름인 것을 특징으로 하는 리드베르크 원자를 통해 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 29 항에 있어서, 상기 광 흡수 표면은 폴리머인 것을 특징으로 하는 리드베르크 원자를 통해 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 제 29 항에 있어서, 상기 광 흡수 표면은 유리인 것을 특징으로 하는 리드베르크 원자를 통해 전자기장을 특징짓는 파라미터를 검출 및/또는 측정하기 위한 센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020237009560A KR20230044321A (ko) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762607034P | 2017-12-18 | 2017-12-18 | |
| US62/607,034 | 2017-12-18 | ||
| US201862727764P | 2018-09-06 | 2018-09-06 | |
| US62/727,764 | 2018-09-06 | ||
| PCT/US2018/066006 WO2019126038A1 (en) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | Atom-based electromagnetic field sensing element and measurement system |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237009560A Division KR20230044321A (ko) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200128655A KR20200128655A (ko) | 2020-11-16 |
| KR102513482B1 true KR102513482B1 (ko) | 2023-03-23 |
Family
ID=66814399
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020207020867A KR102513482B1 (ko) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
| KR1020237009560A KR20230044321A (ko) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237009560A KR20230044321A (ko) | 2017-12-18 | 2018-12-17 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US10823775B2 (ko) |
| EP (1) | EP3729112A4 (ko) |
| JP (1) | JP7470643B2 (ko) |
| KR (2) | KR102513482B1 (ko) |
| CN (1) | CN112867934A (ko) |
| CA (1) | CA3085935A1 (ko) |
| WO (1) | WO2019126038A1 (ko) |
Families Citing this family (74)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102513482B1 (ko) | 2017-12-18 | 2023-03-23 | 리드베르크 테크놀로지스 인코퍼레이티드 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
| US11467330B1 (en) * | 2018-10-23 | 2022-10-11 | Government Of The United States As Represented By The Secretary Of The Air Force | One beam mirror magneto-optical trap chamber |
| US11349569B2 (en) * | 2018-10-26 | 2022-05-31 | Raytheon Company | Methods and apparatus for implementing an optical transceiver using a vapor cell |
| US10564201B1 (en) | 2018-12-31 | 2020-02-18 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Testing antenna systems |
| US10509065B1 (en) | 2018-12-31 | 2019-12-17 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Imaging of electromagnetic fields |
| WO2020140148A1 (en) * | 2018-12-31 | 2020-07-09 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Imaging of electromagnetic fields |
| KR20200086476A (ko) * | 2019-01-09 | 2020-07-17 | 삼성전자주식회사 | 전자기 신호를 측정하기 위한 방법 및 그 전자 장치 |
| US11002777B2 (en) * | 2019-01-23 | 2021-05-11 | ColdQuanta, Inc. | Microwave sensor using rydberg particles |
| US11415614B2 (en) * | 2019-01-23 | 2022-08-16 | ColdQuanta, Inc. | Rydberg-particle-based 3D microwave sensor |
| US10979147B2 (en) * | 2019-03-11 | 2021-04-13 | Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce | Rydberg atom mixer and determining phase of modulated carrier radiation |
| US11435386B2 (en) * | 2019-03-15 | 2022-09-06 | Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce | Si-traceable Rydberg atom radiofrequency power meter and determining power of radio frequency radiation |
| US10763966B1 (en) * | 2019-03-25 | 2020-09-01 | Otago Innovation Limited | Data communications system using an optical antenna |
| US10989811B2 (en) * | 2019-03-29 | 2021-04-27 | Honeywell International Inc. | Image sensing using atomic vapor cell assemblies |
| US11815588B2 (en) * | 2019-07-05 | 2023-11-14 | University Of Electronic Science And Technology Of China | Room-temperature semiconductor maser and applications thereof |
| IT201900011109A1 (it) * | 2019-07-08 | 2021-01-08 | Azionaria Costruzioni Acma Spa | Dispositivo e metodo di ispezione di contenitori |
| CN110261671B (zh) * | 2019-07-15 | 2021-07-27 | 中国计量科学研究院 | 一种微波功率量子测量方法和真空腔体测量装置 |
| US11209714B2 (en) | 2019-07-17 | 2021-12-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Radio frequency passband signal generation using photonics |
| US11159241B2 (en) | 2019-07-18 | 2021-10-26 | Lawrence Livermore National Security, Llc | High power handling digitizer using photonics |
| US11184087B2 (en) | 2019-08-08 | 2021-11-23 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Optical encoder devices and systems |
| CN112444682A (zh) * | 2019-09-05 | 2021-03-05 | 北京华航无线电测量研究所 | 一种用于金刚石nv色心微波磁场测量的微波耦合器 |
| US11726025B2 (en) * | 2019-10-15 | 2023-08-15 | Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg | System for analyzing electromagnetic radiation |
| US10605840B1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-03-31 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Vapor cells having reduced scattering cross-sections and their methods of manufacture |
| US10859981B1 (en) | 2019-10-21 | 2020-12-08 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Vapor cells having one or more optical windows bonded to a dielectric body |
| CN114424111B (zh) | 2019-10-24 | 2022-12-27 | 英国电讯有限公司 | 传播信号的设备和系统以及电磁场检测器及操作其的方法 |
| US11112298B2 (en) | 2019-11-27 | 2021-09-07 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Vapor cells for imaging of electromagnetic fields |
| US11054453B2 (en) | 2019-11-27 | 2021-07-06 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Photonic-crystal vapor cells for imaging of electromagnetic fields |
| US11346905B2 (en) * | 2019-12-06 | 2022-05-31 | Raytheon Company | Use of forward sensing probe for pretuning of probe |
| US10802066B1 (en) | 2019-12-17 | 2020-10-13 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Single-pixel imaging of electromagnetic fields |
| US11165505B2 (en) | 2020-02-12 | 2021-11-02 | Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce | Quantum atomic receiving antenna and quantum sensing of radiofrequency radiation |
| US11137432B1 (en) * | 2020-03-16 | 2021-10-05 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Photonic crystal receivers |
| CN115666377A (zh) * | 2020-03-19 | 2023-01-31 | 斯坦福研究院 | 量子电磁场传感器和成像器 |
| WO2021243260A1 (en) | 2020-05-29 | 2021-12-02 | Rydberg Technologies Inc. | Atom-based closed-loop control for electromagnetic radiation measurement, communications, and information processing |
| US20220276293A1 (en) * | 2020-06-26 | 2022-09-01 | Honeywell International Inc. | Wideband rf spectrum real-time monitor |
| US11988759B2 (en) | 2020-07-06 | 2024-05-21 | ColdQuanta, Inc. | Rydberg-molecule-based microwave direction finding |
| CN112345480A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-02-09 | 重庆大学 | 一种集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法及传感器 |
| TWI821750B (zh) * | 2020-10-07 | 2023-11-11 | 台灣愛司帝科技股份有限公司 | 電子元件量測設備、電子元件量測方法及發光二極體的製造方法 |
| US20230421256A1 (en) * | 2020-11-30 | 2023-12-28 | Otago Innovation Ltd. | Technologies for a high channel capacity radio frequency-to-optical atomic antenna |
| US11585841B1 (en) * | 2020-12-14 | 2023-02-21 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Low-frequency atomic electrometry |
| JP2023553632A (ja) * | 2020-12-17 | 2023-12-25 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション | エレクトロメータのセンサ制御システム |
| CN112731225B (zh) * | 2020-12-25 | 2021-10-08 | 西安交通大学 | 一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法 |
| CN112798875B (zh) * | 2020-12-30 | 2023-08-08 | 清远市天之衡传感科技有限公司 | 毫米波与太赫兹波电场测量方法、装置及系统 |
| CN112903624B (zh) * | 2021-01-21 | 2022-12-13 | 上海理工大学 | 基于五能级里德堡量子态的太赫兹生物检测方法及装置 |
| US11940374B2 (en) | 2021-01-21 | 2024-03-26 | Honeywell International Inc. | Continuous tunable RF sensor using rydberg atoms with high transmissivity |
| GB2605123B (en) * | 2021-03-01 | 2023-04-26 | British Telecomm | Electromagnetic field detector |
| CN113514698B (zh) * | 2021-03-01 | 2024-05-17 | 中国科学院大学 | 一种测量微波相位的装置和方法 |
| GB2604448B (en) * | 2021-03-01 | 2023-05-31 | British Telecomm | Electromagnetic field detector |
| CN113176619B (zh) * | 2021-03-12 | 2022-06-24 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪 |
| US20220291268A1 (en) * | 2021-03-13 | 2022-09-15 | ColdQuanta, Inc. | Wideband tunable rydberg microwave detector |
| CN113092420B (zh) * | 2021-04-22 | 2022-03-18 | 山西大学 | 一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置及方法 |
| WO2022238767A1 (en) * | 2021-05-12 | 2022-11-17 | The Secretary Of State For Defence | Rydberg radio sensor |
| CN113341352B (zh) * | 2021-05-31 | 2022-06-28 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于碱金属原子气室的磁场微波场一体化测量装置 |
| CN113341235B (zh) * | 2021-05-31 | 2022-06-28 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于serf磁力仪的磁场微波场一体化测量装置 |
| CN113358589B (zh) * | 2021-06-04 | 2022-06-28 | 中国人民解放军国防科技大学 | 具有微环谐振腔的原子气室探头装置 |
| DE112022002980T5 (de) * | 2021-07-06 | 2024-03-28 | Sri International | Quantenelektromagnetischer feldsensor |
| WO2023014740A1 (en) * | 2021-08-02 | 2023-02-09 | Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce | Photonic rydberg atom radio frequency receiver and measuring a radio frequency electric field |
| US11598798B1 (en) * | 2021-08-18 | 2023-03-07 | Eagle Technology, Llc | Sensor receiver having Rydberg cell and spaced apart pulsed probe beams and associated methods |
| US11815538B2 (en) * | 2021-08-18 | 2023-11-14 | Eagle Technology, Llc | Sensor receiver having a Rydberg cell with a plurality of excitation sources and associated methods |
| KR102643817B1 (ko) * | 2021-10-28 | 2024-03-07 | 한국표준과학연구원 | 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템 |
| KR102649694B1 (ko) | 2021-12-13 | 2024-03-21 | 한국표준과학연구원 | 전자기 유도 격자 기반 전기장 검출시스템 및 방법 |
| US11681016B1 (en) * | 2021-12-23 | 2023-06-20 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Sensing signals that include radio frequency pulses |
| EP4215926A1 (en) * | 2022-01-19 | 2023-07-26 | Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG | Microwave signal analysis based on beam-scanned quantum sensor |
| US11469566B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-10-11 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Generating electromagnetic radiation from a photonic crystal maser |
| US11533101B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-12-20 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Communicating information using photonic crystal masers |
| US11402479B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-08-02 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Communicating information using photonic crystal transceivers |
| WO2023172702A1 (en) * | 2022-03-10 | 2023-09-14 | Fermi Research Alliance, Llc | Quantum transduction with resonant cavities |
| WO2023204993A1 (en) * | 2022-04-20 | 2023-10-26 | Northrop Grumman Systems Corporation | Vapor cell detection system |
| CN114935696B (zh) * | 2022-06-29 | 2024-05-28 | 山西大学 | 一种基于原子光谱的便携式工频电场测量装置 |
| WO2024054642A2 (en) * | 2022-09-08 | 2024-03-14 | Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce | Measurement apparatus and process for sensing electro- magnetic helds using rabi matching on a two-level quantum system |
| US11899051B1 (en) | 2022-09-13 | 2024-02-13 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Controlling electric fields in vapor cells having a body defined by a stack of layers |
| US11885842B1 (en) | 2022-09-13 | 2024-01-30 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Controlling electric fields in vapor cells |
| CN116243059A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-06-09 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于里德堡原子的天线近场测试方法 |
| CN116413512B (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于里德堡原子的瞬时测频方法和系统 |
| CN117434035B (zh) * | 2023-10-30 | 2024-05-03 | 上海频准激光科技有限公司 | 一种增益介质材料确定方法、电子设备及存储介质 |
| US11977107B1 (en) * | 2023-11-06 | 2024-05-07 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Measuring radio frequency electromagnetic waves using circular polarization |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160363617A1 (en) | 2015-06-15 | 2016-12-15 | The Regents Of The University Of Michigan | Atom-Based Electromagnetic Radiation Electric-Field Sensor |
| CN106842095A (zh) | 2017-01-06 | 2017-06-13 | 山西大学 | 基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置 |
| CN104880614B (zh) | 2015-06-09 | 2017-06-20 | 华南师范大学 | 基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法 |
| WO2017109475A1 (en) | 2015-12-22 | 2017-06-29 | Oxford University Innovation Limited | Electromagnetic frequency converter |
Family Cites Families (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4024396A (en) * | 1976-05-10 | 1977-05-17 | Stanford Research Institute | Method and apparatus for detection utilizing Rydberg levels |
| US4600840A (en) * | 1985-02-21 | 1986-07-15 | The United States Of America As Represented By The Administrator, National Aeronautics And Space Administration | Double photon excitation of high-rydberg atoms as a long-lived submillimeter detector |
| US4983844A (en) * | 1989-10-17 | 1991-01-08 | Thermo Electron Technologies Corp. | Fast atomic line filter |
| US5506415A (en) * | 1994-12-20 | 1996-04-09 | Parks; Allen D. | Method and apparatus for counting photons in a single-mode, coherent microwave field |
| NL1000198C2 (nl) * | 1995-04-21 | 1996-10-22 | Stichting Fund Ond Material | Inrichting voor het waarnemen van een fotonenpuls. |
| US6008496A (en) * | 1997-05-05 | 1999-12-28 | University Of Florida | High resolution resonance ionization imaging detector and method |
| US5945649A (en) * | 1997-05-27 | 1999-08-31 | United States Enrichment Corp. | Atomic vapor laser isotope separation of lead-210 isotope |
| DK173958B1 (da) | 2000-09-14 | 2002-03-11 | Danmag Aps | Method and apparatus for measuring megnetic field strengths. |
| US7280674B2 (en) * | 2001-06-05 | 2007-10-09 | University Of Florida Research Foundation | Device and method for object illumination and imaging using time slot allocation based upon road changes |
| US7560726B2 (en) * | 2003-02-11 | 2009-07-14 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Quantum information processing using electromagnetically induced transparency |
| US8331869B2 (en) | 2006-07-24 | 2012-12-11 | Ets Lindgren, L.P. | Systems and methods for over the air performance testing of wireless devices with multiple antennas |
| US20090074016A1 (en) * | 2006-10-18 | 2009-03-19 | Orval Mamer | Apparatus for Terahertz wave generation from water vapor |
| US20090256638A1 (en) | 2008-03-28 | 2009-10-15 | Michael Rosenbluh | Atomic frequency standard based on enhanced modulation efficiency semiconductor lasers |
| US8054073B2 (en) | 2008-05-21 | 2011-11-08 | Entanglement Technologies, Llc | Method and apparatus for implementing EIT magnetometry |
| US7859350B1 (en) | 2009-04-28 | 2010-12-28 | Sandia Corporation | Microfabricated ion frequency standard |
| US8179226B2 (en) | 2009-09-04 | 2012-05-15 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Array type chip resistor |
| JP5429469B2 (ja) | 2009-09-07 | 2014-02-26 | セイコーエプソン株式会社 | 量子干渉装置、原子発振器及び磁気センサー |
| US8212556B1 (en) | 2010-01-12 | 2012-07-03 | Sandia Corporation | Atomic magnetometer |
| JP5910806B2 (ja) | 2011-03-14 | 2016-04-27 | セイコーエプソン株式会社 | 原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器 |
| US8907276B2 (en) | 2012-04-11 | 2014-12-09 | Honeywell International Inc. | Measuring the populations in each hyperfine ground state of alkali atoms in a vapor cell while limiting the contribution of the background vapor |
| JP6060568B2 (ja) * | 2012-09-05 | 2017-01-18 | セイコーエプソン株式会社 | ガスセルユニット、原子発振器および電子機器 |
| US10197515B2 (en) | 2014-01-08 | 2019-02-05 | Massachusetts Institute Of Technology | Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance |
| EP3605019A1 (en) * | 2014-06-02 | 2020-02-05 | Twinleaf LLC | Atomic magnetometer on a flexible substrate |
| JP6083439B2 (ja) * | 2015-01-13 | 2017-02-22 | セイコーエプソン株式会社 | 磁場測定装置 |
| CN107179450B (zh) * | 2017-05-31 | 2019-10-11 | 华南师范大学 | 一种微波电场强度测量方法和测量装置 |
| KR102513482B1 (ko) | 2017-12-18 | 2023-03-23 | 리드베르크 테크놀로지스 인코퍼레이티드 | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 |
| EP3588106B1 (en) | 2018-06-29 | 2023-08-23 | Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG | Test equipment for over the air tests as well as method for testing a device under test |
| US10509065B1 (en) | 2018-12-31 | 2019-12-17 | Quantum Valley Ideas Laboratories | Imaging of electromagnetic fields |
-
2018
- 2018-12-17 KR KR1020207020867A patent/KR102513482B1/ko active IP Right Grant
- 2018-12-17 CN CN201880092489.6A patent/CN112867934A/zh active Pending
- 2018-12-17 EP EP18890473.4A patent/EP3729112A4/en active Pending
- 2018-12-17 CA CA3085935A patent/CA3085935A1/en active Pending
- 2018-12-17 JP JP2020552678A patent/JP7470643B2/ja active Active
- 2018-12-17 WO PCT/US2018/066006 patent/WO2019126038A1/en unknown
- 2018-12-17 KR KR1020237009560A patent/KR20230044321A/ko active Application Filing
- 2018-12-17 US US16/222,384 patent/US10823775B2/en active Active
-
2020
- 2020-11-02 US US17/087,011 patent/US11360135B2/en active Active
-
2022
- 2022-06-13 US US17/838,954 patent/US11774482B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104880614B (zh) | 2015-06-09 | 2017-06-20 | 华南师范大学 | 基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法 |
| US20160363617A1 (en) | 2015-06-15 | 2016-12-15 | The Regents Of The University Of Michigan | Atom-Based Electromagnetic Radiation Electric-Field Sensor |
| WO2017109475A1 (en) | 2015-12-22 | 2017-06-29 | Oxford University Innovation Limited | Electromagnetic frequency converter |
| CN106842095A (zh) | 2017-01-06 | 2017-06-13 | 山西大学 | 基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2021507271A (ja) | 2021-02-22 |
| KR20200128655A (ko) | 2020-11-16 |
| JP7470643B2 (ja) | 2024-04-18 |
| US11774482B2 (en) | 2023-10-03 |
| CN112867934A (zh) | 2021-05-28 |
| US10823775B2 (en) | 2020-11-03 |
| US11360135B2 (en) | 2022-06-14 |
| US20190187198A1 (en) | 2019-06-20 |
| EP3729112A1 (en) | 2020-10-28 |
| WO2019126038A1 (en) | 2019-06-27 |
| KR20230044321A (ko) | 2023-04-03 |
| CA3085935A1 (en) | 2019-06-27 |
| EP3729112A4 (en) | 2022-02-09 |
| US20210048465A1 (en) | 2021-02-18 |
| US20220326289A1 (en) | 2022-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102513482B1 (ko) | 원자 기반 전자기장 감지 요소 및 측정 시스템 | |
| US11592469B2 (en) | Atom-based closed-loop control for electromagnetic radiation measurement, communications, and information processing | |
| Fan et al. | Atom based RF electric field sensing | |
| Stürner et al. | Integrated and Portable Magnetometer Based on Nitrogen‐Vacancy Ensembles in Diamond | |
| Holloway et al. | Atom-based RF electric field metrology: from self-calibrated measurements to subwavelength and near-field imaging | |
| Holloway et al. | Broadband Rydberg atom-based electric-field probe for SI-traceable, self-calibrated measurements | |
| Sedlacek et al. | Microwave electrometry with Rydberg atoms in a vapour cell using bright atomic resonances | |
| Anderson et al. | Rydberg atoms for radio-frequency communications and sensing: atomic receivers for pulsed RF field and phase detection | |
| Van Slageren et al. | Frequency-domain magnetic resonance spectroscopy of molecular magnetic materials | |
| Artusio-Glimpse et al. | Modern RF measurements with hot atoms: A technology review of Rydberg atom-based radio frequency field sensors | |
| Mount et al. | Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap | |
| Rubinas et al. | Spin properties of NV centers in high-pressure, high-temperature grown diamond | |
| Fan et al. | Dispersive radio frequency electrometry using Rydberg atoms in a prism-shaped atomic vapor cell | |
| Hanley et al. | Absolute absorption on the potassium D lines: theory and experiment | |
| Hassan et al. | Towards single-cell pulsed EPR using VCO-based EPR-on-a-chip detectors | |
| Mondal et al. | THz photodetector using sideband-modulated transport through surface states of a 3D topological insulator | |
| Deng et al. | Optimized frequency modulation for improving the sensitivity of magnetometer using electron spin ensembles in single-crystal diamond | |
| Yin et al. | Quantum near field probe for integrated circuits electromagnetic interference at wafer level | |
| Sedlacek et al. | Quantum assisted electrometry using bright atomic resonances | |
| US12000877B2 (en) | Atom-based closed-loop control for electromagnetic radiation measurement, communications, and information processing | |
| Bohorquez et al. | Reducing Rydberg-state dc polarizability by microwave dressing | |
| Che et al. | Rydberg six-wave mixing process | |
| Magaletti et al. | Modelling Rabi oscillations for widefield radiofrequency imaging in nitrogen-vacancy centers in diamond | |
| Hu et al. | Improvement of response bandwidth and sensitivity of Rydberg receiver using multi-channel excitations | |
| Fan | Microwave Electrometry with Rydberg Eletromagnetically Induced Transparency in Vapor Cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| A302 | Request for accelerated examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |