[發(fā)明專利]一種提高微波電場幅度測量靈敏度的裝置和方法

有效

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• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113138312B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發(fā)明（設計）人: 賈鳳東;謝鋒;張劍;劉修彬;張懷宇;鐘志萍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院大學;清華大學
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;楊方

本發(fā)明公開了一種提高微波電場幅度測量靈敏度的裝置和方法，裝置包括：里德堡原子微波電場傳感器、調(diào)制單元和分析單元；里德堡原子微波電場傳感器，用于將探測光和耦合光在銣原子蒸汽池中相對傳播并嚴格重合，形成里德堡原子的電磁感應透明(EIT)，在施加微波源產(chǎn)生的待測微波電場后發(fā)生Autler?Townes(AT)分裂，在對探測光的頻率進行線性掃描后得到EIT?AT分裂光譜；調(diào)制單元，用于調(diào)制待測微波電場的幅度，得到EIT?AT分裂光譜的色散信號；分析單元，用于分析不同微波強度下的EIT?AT分裂光譜與對應的色散信號，確定微波電場測量的靈敏度。本發(fā)明通過調(diào)制待測微波電場的幅度，提高測量微波電場幅度的靈敏度。

技術領域

本發(fā)明涉及微波電場強度領域，具體涉及一種提高微波電場幅度測量靈敏度的裝置和方法。

背景技術

里德堡原子由于具有大的電偶極矩，對外場十分敏感，相鄰里德堡能級的躍遷頻率在微波波段，并且相鄰里德堡態(tài)之間的躍遷偶極矩非常大，對微波十分敏感，因此在微波電場強度的測量、微波通訊等方面有非常大的應用前景。人們利用里德堡原子的電磁感應透明(EIT)和Autler-Townes(AT)分裂光譜來測量微波電場強度，這將為微波電場的測量提供了量子基準。在利用里德堡原子測量微波電場的實驗中，當待測微波電場的強度大到足以引起明顯的EIT-AT分裂時，人們可以利用EIT-AT分裂間距得到微波電場強度，具體見以下公式(1)：

其中，λ_p和λ_c分別為探測光和耦合光的波長；Δf_m為所測量的AT分裂間距；其中為考慮了反向傳播的不同波長的探測光和耦合光與運動原子相互作用所造成的多普勒失配因子；為普朗克常數(shù)；為對應微波躍遷的電偶極矩。

滿足這個關系的區(qū)域是可以追溯到普朗克常數(shù)的，室溫下可直接追溯的微波電場強度的下限到5mV/cm，這只是一個大概的量級，具體的與所選擇的原子能級以及光場的拉比頻率有關。當待測微波電場的強度小到EIT-AT分裂不可區(qū)分時，就不能用EIT-AT分裂來表征微波電場的強度，此時人們用探測光強透過率的變化來表征待測微波電場強度的大小。相比于EIT-AT光譜分裂間距，探測光強透過更容易受到探測光、耦合光、原子溫度、密度變化的影響，因此，如何能在待測微波電場強度很弱時，繼續(xù)用EIT-AT光譜分裂間距來表征微波電場的強度是非常急需的方法和方案。拓展測量微波的AT分裂區(qū)的下限主要原理是提高里德堡原子EIT-AT分裂光譜的分辨率，目前已報道的方法有兩類，一類是放大EIT-AT間距；一類是減小EIT的線寬，以提高EIT-AT分裂的光譜分辨。具體地，關于放大EIT-AT間距，可以將微波頻率從共振改為失諧，增大同樣微波電場強度下的EIT-AT分裂，如公式所示其中δ_RF為微波的失諧量(δ_RF＝f₀-f_RF；f₀為共振微波躍遷頻率，f_RF為微波源的輸出頻率)，Δf₀是在δ_RF＝0時AT分裂的間距。通過使用微波失諧的方法，能夠測量出比共振方法小約1/2的電場強度。關于壓窄EIT線寬提高EIT-AT分裂光譜的分辨率，人們也做了很多努力。利用冷原子多普勒展寬小的優(yōu)勢可以減小EIT線寬，進而提高EIT-AT光譜分裂能力，Liao等人在冷原子樣品中利用電磁感應透明吸收的間隔測量到的最低電場強度為100μV/cm。但冷原子需要昂貴和復雜的真空和激光冷卻系統(tǒng)，不利于實際應用產(chǎn)品的開發(fā)。理論上，人們提出可以利用高精細度光學腔來壓窄EIT本身的線寬以提高光譜的分辨率，模擬結(jié)果表明光譜分辨率可以提高20倍且可測量到的最小電場強度可以提高8倍。在此基礎上，他們繼續(xù)研究了里德堡原子的內(nèi)腔反常色散，使得測量的靈敏度進一步提高了10倍。但是，這些理論方案還都沒有實驗進行驗證。因此，在熱原子蒸汽池中實現(xiàn)拓展測量微波電場的AT分裂區(qū)的下限，尤其是對弱微波電場的測量，是非常重要和急迫的。

發(fā)明內(nèi)容