本發(fā)明涉及量子精密測(cè)量，具體涉及一種基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、微波被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)、航空航天、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域，常利用微波測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的發(fā)射與接收進(jìn)而獲取信息，傳統(tǒng)的微波測(cè)量方法的前提和核心是要具備已校準(zhǔn)過(guò)的探針或者天線，以偶極子探針為例，在應(yīng)用中其面臨如下限制：(1)需要被校準(zhǔn)；(2)探測(cè)靈敏度取決于偶極子長(zhǎng)度；(3)探針中的金屬部件會(huì)干擾待測(cè)微波場(chǎng)；(4)靈敏度被限制在最小可探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)度(100mv/m)附近，其他類型的傳統(tǒng)天線也存在類似限制，可實(shí)現(xiàn)的“已知”場(chǎng)不確定度一般在5％(或0.5db)。

2、研究表明，在原子與微波相互作用的物理系統(tǒng)中，可以利用原子躍遷的拉比頻率與微波場(chǎng)強(qiáng)之間的特定關(guān)系，通過(guò)對(duì)拉比頻率的測(cè)量反推出場(chǎng)強(qiáng)值，眾所周知，頻率保持著目前所有物理量中最高的測(cè)量精度，意味著基于原子的微波場(chǎng)測(cè)量技術(shù)具有高精度和自校準(zhǔn)的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量方法及裝置，對(duì)微波施加正弦相位調(diào)制且調(diào)制頻率可變，利用相位調(diào)制微波與三能級(jí)里德堡原子之間發(fā)生的拉比共振，通過(guò)拉比共振曲線，獲得待測(cè)微波的拉比頻率，最后通過(guò)微波電場(chǎng)強(qiáng)度溯源公式即可得到待測(cè)微波的電場(chǎng)強(qiáng)度，且在靜磁場(chǎng)的作用下，破壞了原子超精細(xì)能級(jí)的簡(jiǎn)并，使得測(cè)量結(jié)果更精準(zhǔn)，測(cè)量頻段更寬，且此方法可以實(shí)現(xiàn)微波電場(chǎng)的自校準(zhǔn)測(cè)量，并將電場(chǎng)幅度的量值直接溯源至國(guó)際單位制(si體系)。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置，包括：堿金屬原子氣室、靜磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，探測(cè)光、耦合光、二向色鏡、光電探測(cè)器、任意波形發(fā)生器和喇叭天線；

4、較佳的，所述靜磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置由三組方形亥姆霍茲線圈組合而成，三組線圈彼此正交，在三個(gè)方向上產(chǎn)生可連續(xù)調(diào)節(jié)的靜磁場(chǎng)，其中兩組用來(lái)抵消環(huán)境磁場(chǎng)，另一組用來(lái)提供打破超精細(xì)能級(jí)簡(jiǎn)并的靜磁場(chǎng)，既提供量子化軸，也起到調(diào)節(jié)基態(tài)原子躍遷頻率的作用，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)的微波探測(cè)。

5、較佳的，所述原子氣室需要用特殊材料支撐和固定，本實(shí)驗(yàn)中選用鐵氟龍，因?yàn)殍F氟龍的損耗因子為0.0005，可以看成對(duì)微波透明，可以忽略對(duì)電場(chǎng)測(cè)量的影響，所述堿金屬原子氣室采用銫原子133cs作為工作物質(zhì)。

6、較佳的，所述探測(cè)光采用852nm激光，所述耦合光采用509nm激光，并均實(shí)現(xiàn)激光頻率鎖定，以保持測(cè)量系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，所述耦合光和所述探測(cè)光共線反向通過(guò)所述堿金屬原子氣室之后，所述探測(cè)光需經(jīng)由所述二向色鏡與所述耦合光分離，并反射至所述光電探測(cè)器獲取信號(hào)。

7、較佳的，需要確保所述原子氣室與發(fā)射微波的所述喇叭天線之間的距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，遠(yuǎn)場(chǎng)距離r要滿足公式：r≥2d2/λ，式中d是所述喇叭天線的尺寸大小，λ是入射微波的波長(zhǎng)，使得微波在互作用區(qū)內(nèi)盡量均勻，近似平面波，使測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)，需要用吸波材料在所述測(cè)量裝置周圍搭建微波暗室以減少微波的反射，因?yàn)槲⒉ㄈ菀妆唤饘倨鞑姆瓷洌h(huán)境中光學(xué)平臺(tái)等諸多器件均為金屬材質(zhì)。

8、較佳的，一種基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量方法，適用于上述任一項(xiàng)所述的一種基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置，具體包含以下步驟：

9、步驟101：將探測(cè)光和耦合光進(jìn)行頻率鎖定后，使兩光線共線反向打入原子氣室，并對(duì)原子氣室施加特定強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)，激發(fā)三能級(jí)里德堡態(tài)系統(tǒng)；

10、步驟102：選定第四里德堡能級(jí)，使任意波形發(fā)生器通過(guò)喇叭天線發(fā)出的微波頻率與第三和第四里德堡能級(jí)耦合，同時(shí)對(duì)微波進(jìn)行正弦相位調(diào)制，將微波饋入原子氣室；

11、步驟103：逐點(diǎn)掃描相位調(diào)制頻率ωm,將探測(cè)光的透射信號(hào)進(jìn)行fft獲得逐點(diǎn)掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到及ω＝2ωm,最后利用溯源公式即可獲得待測(cè)微波場(chǎng)強(qiáng)度。

12、較佳的，所述步驟101具體包括：

13、首先將探測(cè)光和耦合光激光器進(jìn)行頻率鎖定，再將耦合光和探測(cè)光通過(guò)自由空間從兩端穿過(guò)原子氣室，并保持兩光束共線反向，在單光子和雙光子共振探測(cè)光和耦合光的共同作用下，形成了電磁誘導(dǎo)透明窗口，此時(shí)可以觀察到電磁誘導(dǎo)透明eit信號(hào)，且此時(shí)氣室中的原子被激發(fā)為里德堡態(tài)，開啟靜磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，對(duì)原子氣室施加一定強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)b0，用來(lái)打破超精細(xì)能級(jí)簡(jiǎn)并，既提供量子化軸，也起到調(diào)節(jié)基態(tài)原子躍遷頻率的作用，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)的微波測(cè)量。

14、較佳的，所述步驟102具體包括：

15、根據(jù)現(xiàn)已制備好的里德堡態(tài)原子的第三能級(jí)，選定第四個(gè)里德堡態(tài)能級(jí)，可通過(guò)計(jì)算獲得第三和第四能級(jí)的躍遷頻率fatom，開啟任意波形發(fā)生器并將微波頻率fmw設(shè)置在fatom，使其失諧δf＝0，通過(guò)喇叭天線將微波饋入原子氣室，同時(shí)保證原子氣室與喇叭天線之間的距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件r≥2d2/λ，再對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行正弦相位調(diào)制，施加的相位調(diào)制函數(shù)可表示為：θ(t)＝msin(ωmt)，式中m為相位調(diào)制系數(shù)，ωm為相位調(diào)制頻率。

16、較佳的，所述步驟103具體包括：

17、里德堡原子與相位調(diào)制微波之間的相互作用可激勵(lì)里德堡態(tài)原子發(fā)生拉比共振，共振信號(hào)振幅的幅度pβ0是調(diào)制頻率ωm的函數(shù)，如以下公式所示：

18、

19、其中，γ1為縱向和橫向弛豫速率，ωm為相位調(diào)制頻率，ω為微波的拉比頻率，其中γ1、ωm均為已知量；

20、易知該函數(shù)pβ0(ωm)在滿足ωm＝ω/2時(shí)出現(xiàn)峰值；

21、在掃描微波的相位調(diào)制頻率ωm的同時(shí)，將探測(cè)光的透射信號(hào)進(jìn)行fft記錄信號(hào)幅度pβ0，即可得到逐點(diǎn)掃描調(diào)制頻率ωm與振幅幅度pβ0的關(guān)系曲線pβ0(ωm)即拉比共振曲線，通過(guò)曲線中對(duì)應(yīng)信號(hào)幅度峰值pβ0-peak時(shí)的ωm，即可求得對(duì)應(yīng)微波的拉比頻率ω＝2ωm；

22、利用里德堡原子測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的溯源公式，如以下公式所示：

23、

24、其中emw是待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度大小，為約化普朗克常量，μmw代表的是微波對(duì)應(yīng)的躍遷偶極矩，其中和μmw均為已知量；

25、利用溯源公式即可求得微波的電場(chǎng)強(qiáng)度大小。

26、較佳的，所述步驟103之后，還包括：

27、可以通過(guò)更改耦合光的頻率來(lái)更改第三里德堡能級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬頻段范圍微波電場(chǎng)測(cè)量；也可以通過(guò)更改靜磁場(chǎng)的大小來(lái)更改原子在里德堡能級(jí)之間的躍遷頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的微波電場(chǎng)測(cè)量。

28、綜上所述，本發(fā)明主要具有以下有益效果：

29、1.本發(fā)明基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置及方法，利用微波與里德堡原子之間的拉比共振，將微波正弦相位調(diào)制頻率與拉比頻率相聯(lián)系，再利用里德堡原子測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的溯源公式，獲得待測(cè)微波的電場(chǎng)強(qiáng)度，故此方法可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)，并將待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度emw直接與物理常量相關(guān)聯(lián)，可溯源至基本物理量；

30、2.本發(fā)明基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置及方法，其中原子探頭由原子和玻璃外殼組成，不包含金屬，對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的干擾減?。?/p>

31、3.本發(fā)明基于里德堡原子拉比共振的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置及方法，既可以通過(guò)更改耦合光的頻率，也可以通過(guò)更改靜磁場(chǎng)的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全微波波段的微波電場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高精確度的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。