基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，利用两束特定频率的激光来制备里德堡原子，其中主要包括设计一个三能级系统，两束激光耦合里德堡原子的不同能级，通过光电探测器观察到EIT现象，确保里德堡原子的制备；在特定微波信号的影响下，形成四能级系统，此时扫描激光频率，记录光电探测器的光强变化数据，即可换算为对应的微波电场强度，实现单频微波场强的测量。本发明专利技术实现了单频微波电场场强的精确测量，克服传统电场探测器对被测量电场产生干扰的问题，同时，避免探测器校准带来的不确定性，提高了微波电场的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法
本专利技术涉及激光通信
，涉及基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法。
技术介绍
传统的微波电场的强度测量，需要将传感器放置在电场中测量，这不可避免的会造成测量干扰，增大了测量结果的不确定性。尽管探测器在理论上可以很小，但是其尺寸仍受限于探测器头部的电子测量器件和天线尺寸。除了干扰被测量场外，这些传统的探测器需要经常校准，校准时需要利用麦克斯韦方程解算电场，这又会带来一定的不确定度。因此现在的普通电场探测器无法保证电场测量的精确度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，利用里德堡原子的EIT(电磁诱导透明)效应，实现了单频微波电场场强的精确测量，克服传统电场探测器对被测量电场产生干扰的问题，同时，避免探测器校准带来的不确定性，提高了微波电场的测量精度。本专利技术设计思路：利用两束特定频率的激光来制备里德堡原子，其中主要包括设计一个三能级系统，两束激光耦合里德堡原子的不同能级，通过光电探测器观察到EIT现象，确保里德堡原子的制备；在特定微波信号的影响下，形成四能级系统，此时扫描激光频率，记录光电探测器的光强变化数据，即可换算为对应的微波电场强度，实现单频微波场强的测量。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，包括以下步骤：步骤1，根据待测微波的角频率，选取制备里德堡原子所需的能级差，选取里德堡原子及其对应的两个里德堡高能级；步骤2，根据所述里德堡原子及其对应的两个里德堡能级，选取测量系统中与探测光和耦合光对应的两个低能级，根据该两个低能级，确定探测光和耦合光的角频率；步骤3，根据步骤2的探测光和耦合光的角频率分别采用两个激光器发射探测光和耦合光，使探测光和耦合光在里德堡蒸汽池内同位置相向传输，采用光电探测器观察EIT效应；其中，同位置是指探测光和耦合光经过里德堡蒸汽池的同一位置；里德堡蒸汽池为与里德堡原子对应的蒸汽池；步骤4，射频发生器发射待测微波电场辐射至里德堡蒸汽池，光电探测器测量光电响应，根据光电响应计算待测微波电场的场强。进一步地，所述根据待测微波的角频率，计算制备里德堡原子所需的能级差，具体公式为：其中，为约化普朗克常数，其值为1.0546×10-34J·s；Ec和Ed分别代表两个里德堡高能级的能量，且Ec＞Ed。进一步地，所述选取里德堡原子及其对应的两个能级，具体为：在具有该能级差且能级间允许跃迁的碱金属原子中任选一种作为里德堡原子，并确定该里德堡原子的两个跃迁能级。进一步地，所述选取测量系统中与探测光和耦合光对应的两个低能级，具体为：在里德堡原子的能级中选择低于步骤1中高能级的两个低能级，使两个低能级之间及低能级与高能级之间能够发生跃迁。进一步地，所述确定探测光和耦合光的角频率的具体公式为：其中，ω1和ω2分别为探测光和耦合光的角频率，Ea和Eb是两个低能级能量，Ec为其中一个里德堡高能级能量，且Ec＞Eb＞Ea。进一步地，所述探测光和耦合光在里德堡蒸汽池内同位置相向传输，具体为：探测光经过反射镜反射至里德堡蒸汽池，耦合光经过双色镜反射至里德堡蒸汽池的同一位置；在里德堡蒸汽池内分别激发低能级之间和低能级与高能级之间的电子跃迁，产生里德堡原子；探测光经过里德堡蒸汽池后透过双色镜，被光电探测器探测；其中，反射镜和双色镜位于里德堡蒸汽池的两侧。进一步地，所述根据光电响应计算待测微波电场的场强的公式为：其中，为两个里德堡高能级的跃迁偶极矩，Ωcd为两个里德堡高能级的拉比频率，Δf为光电响应中透明峰的分裂间隔。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术利用里德堡原子的独特性质，如寿命长、原子体积大、跃迁偶极矩大、极化率高、对外界电场变化敏感等优点，首先采用激光激励的方式制备里德堡原子，再通过检测微波电场对探测光吸收性质的影响，最后可推导出待测电场的强度。(2)本专利技术设计的单频微波电场强度测量系统在测量时，只是利用了电场对里德堡原子的影响，避免了出现传统电场探测器工作时影响待探测场的情况，因此这种方案去除了测量干扰，可以间接实现对电场强度的无损探测，减小了测量结果的不确定性。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术实施例中单频电场强度测量系统的能级结构和原理图；其中，(a)是测量电场的能级结构图，(b)是测量系统的原理框图；图2是本专利技术实施例中探测光吸收的仿真结果图，其中纵坐标为响应率χ的虚部，可以描述探测光的吸收性质；(a)对应三能级的仿真图，(b)对应四能级的仿真图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。参考图1，本专利技术提供的一种基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，包括以下步骤：步骤1，根据待测微波的角频率，选取制备里德堡原子所需的能级差，选取里德堡原子及其对应的两个里德堡高能级；里德堡原子的选取原则为存在相应的一对里德堡态，即图1(a)中的|c＞能级和|d＞能级，使得两个里德堡能级之间跃迁允许且跃迁频率为待测微波的频率ωRF，即满足条件：其中，为约化普朗克常数，其值为1.0546×10-34J·s；Ec和Ed分别代表两个里德堡高能级的能量，且Ec＞Ed。通过上式计算制备里德堡原子所需的能级能量差，进一步选取里德堡原子。例如图1(b)中的铯泡中装有一些固态铯，在真空玻璃池中升华为铯原子蒸汽。这种原子蒸汽池是激光实验中的吸收介质，实验中通过探测激光经过蒸汽池后的光强变化来观察光电现象。里德堡原子从碱金属原子如铯、铷等中进行选择。本实施例选取铯作为里德堡原子，则里德堡蒸汽池为铯泡。步骤2，根据所述里德堡原子及其对应的两个里德堡能级，选取测量系统中与探测光和耦合光对应的两个低能级，根据该两个低能级，确定探测光和耦合光的角频率；通过探测光和耦合光来耦合里德堡原子的能级|a＞和|b＞、|b＞和|c＞，以实现里德堡原子的制备。对应于实验装置图1(b)中的深色激光(探测光)和浅色激光(耦合光)，由两台不同波段的激光器提供，激光持续发射以激励铯泡中的里德堡原子跃迁。探测光和耦合光的角频率ω可以由耦合能级的能量确定：其中，ω1和ω2分别为探测光和耦合光的角频率，Ea和Eb是两个低能级能量，Ec为其中一个里德堡高能级能量，且Ec＞Eb＞Ea。步骤3，根据步骤2的探测光和耦合光的角频率分别采用两个激光器发射探测光和耦合光，使探测光和耦合光在里德堡蒸汽池内同位置相向传输，采用光电探测器观察EIT效应；其中，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据待测微波的角频率，选取制备里德堡原子所需的能级差，选取里德堡原子及其对应的两个里德堡高能级；/n步骤2，根据所述里德堡原子及其对应的两个里德堡能级，选取测量系统中与探测光和耦合光对应的两个低能级，根据该两个低能级，确定探测光和耦合光的角频率；/n步骤3，根据步骤2的探测光和耦合光的角频率分别采用两个激光器发射探测光和耦合光，使探测光和耦合光在里德堡蒸汽池内同位置相向传输，采用光电探测器观察EIT效应；/n其中，同位置是指探测光和耦合光经过里德堡蒸汽池的同一位置；里德堡蒸汽池为与里德堡原子对应的蒸汽池；/n步骤4，射频发生器发射待测微波电场辐射至里德堡蒸汽池，光电探测器测量光电响应，根据光电响应计算待测微波电场的场强。/n

【技术特征摘要】
1.基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据待测微波的角频率，选取制备里德堡原子所需的能级差，选取里德堡原子及其对应的两个里德堡高能级；
步骤2，根据所述里德堡原子及其对应的两个里德堡能级，选取测量系统中与探测光和耦合光对应的两个低能级，根据该两个低能级，确定探测光和耦合光的角频率；
步骤3，根据步骤2的探测光和耦合光的角频率分别采用两个激光器发射探测光和耦合光，使探测光和耦合光在里德堡蒸汽池内同位置相向传输，采用光电探测器观察EIT效应；
其中，同位置是指探测光和耦合光经过里德堡蒸汽池的同一位置；里德堡蒸汽池为与里德堡原子对应的蒸汽池；
步骤4，射频发生器发射待测微波电场辐射至里德堡蒸汽池，光电探测器测量光电响应，根据光电响应计算待测微波电场的场强。


2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，其特征在于，所述根据待测微波的角频率，计算制备里德堡原子所需的能级差，具体公式为：
其中，为约化普朗克常数；Ec和Ed分别代表两个里德堡高能级的能量，且Ec＞Ed。


3.根据权利要求2所述的基于里德堡原子的单频微波电场强度测量系统的设计方法，其特征在于，所述选取里德堡原子及其对应的两个能级，具体为：在具有该能级差且能级间允许跃迁的碱金属原子中任选一种作为里德堡原子，并确定该里德堡原子的两个跃迁能级。


4.根据权利要求1所述的基于里德...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐禹，陈庆庆，任爽，杨创，王榕，张兴平，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61