一种基于里德堡原子ACStark效应的连续频率电场测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置和方法，将铯原子蒸气池作为原子样品池，在两个激光光源发出的探测光和耦合光的作用下将铯原子激发到里德堡态，并产生电磁感应透明光谱，同时利用一个强电场作为本地场E

【技术实现步骤摘要】
一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率电场测量装置和方法


[0001]本专利技术涉及电场强度测量
，尤其涉及一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置和方法。

技术介绍

[0002]对微弱电场的精密测量在国防科技、航空航天以及日常生活等都具有重要的意义。传统的电场测量方法是采用预先校准过的电场仪对待测电场进行测量，然而由于电场仪本身需要校准，而且其探测原理是利用电场诱导金属产生电流进行的，金属本身会对待测电场产生干扰，因此传统测量方法的精度较低，而且其测量灵敏度收到热噪声极限的限制。随着国际单位的重新定义和量子测量技术的快速发展，人们发展了基于里德堡原子共振EIT
‑
AT光谱的测量方法，然后其只能测量特定的与相邻里德堡能级共振频率的电场，不能实现任意频率的高灵敏测量。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置和方法，为解决传统电场强度测量误差大以及需要预校准的技术问题，以及现有的基于里德堡原子共振EIT
‑
AT光谱方法无法实现任意频率电场测量的缺点，提供一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率电场强度测量方法和装置，通过本地场作为增益提升里德堡原子探测灵敏度，并且待测信号场与本地场在里德堡原子中拍频，通过测量拍频信号的大小可以实现任意频率电场的测量，所述方法直接基于原子参数进行测量，具有非常极高的测量精度。
[0004]为实现本专利技术目的而提供的一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置和方法，包括有电场测量仪，所述电场测量仪包括第一激光光源、第二激光光源、本地场，沿第一激光光源的激光传播方向分为两路，一路依次设置有852nm的二分之波片、852nm的偏振分光棱镜、852nm的偏振旋转器、铯原子样品池；另一路依次设置有高反射率反射镜、第二光电探测器；
[0005]沿第二激光光源的激光传播方向依次设置有510nm的二分之波片、510nm的偏振分光棱镜、852nm高透和510nm高反的双色镜，852nm高透和510nm高反的双色镜的两侧分别设置有510nm的偏振旋转器、第一光电探测器；
[0006]第一光电探测器、第二光电探测器与减法器连接；
[0007]本地场用以对电磁感应透明光谱发生作用，使电磁感应透明光谱发生AC Stark频移和分裂。
[0008]作为上述方案的进一步改进，包括有如下步骤：
[0009]第一步：第一激光光源发出波长为852nm的激光作为探测光，探测光的频率锁定在铯原子的基态6S
1/2
(F＝4)到第一激发态6P
3/2
(F'＝5)的共振跃迁线上，探测光经过852nm的
二分之波片和852nm的偏振分光棱镜分成两束，一束经过852nm的偏振旋转器从铯原子样品池的一端入射到装有铯原子蒸气的玻璃铯泡的铯原子样品池中，透过铯原子样品池的探测光，通过510nm的二分之波片和852nm高透的双色镜入射到第一光电探测器上进行探测；另一束作为参考光，经过高反射率反射镜入射到第二光电探测器上进行探测；第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号经过减法器相减，去除激光的功率波对实验的影响；
[0010]第二步：第二激光光源发出波长510nm的激光作为耦合光，耦合光耦合铯原子的第一激发态6P
3/2
(F'＝5)与里德堡能级nD
5/2
，耦合光经过510nm的二分之波片、510nm的偏振分光棱镜、852nm高透和510nm高反的双色镜和510nm的偏振旋转器从铯原子样品池的另一端入射进铯原子样品池中，与探测光在铯原子样品池中反向共线传播；
[0011]第三步：所述第一激光光源和第二激光光源发出的两种激光频率应满足铯原子nD
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件；在第一激发态6P
3/2
(F'＝5)到里德堡能级nD
5/2
的共振跃迁线的附近扫描波长510nm耦合光的频率，可使第一光电探测器探测到852nm的探测光的无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
[0012]第四步：电磁感应透明光谱在本地场作用下会发生AC Stark频移和分裂，在本地场作用下，nD
5/2
里德堡态的电磁感应透明光谱会频移并分裂为磁量子数m
j
＝1/2、3/2和5/2的能级，由于m
j
＝1/2能级的极化率最大，因此将510nm耦合光的频率锁定到里德堡态原子的能级频移到极化率很大处，将510nm耦合光的频率锁定到第一激发态6P
3/2
(F'＝5)到里德堡能级nD
5/2
，m
j
＝1/2能级的共振跃迁线上；
[0013]第五步：将所述电场测量仪放置于待测电场中，固定本地场的强度，扫描其频率，当其与待测电场的频率差小于10MHz时，在第一光电探测器中可以观测到差频信号P，差频信号P的幅值大小正比于本地场和待测电场强度的乘积E
L
E
S
，即P∞E
L
E
S
cos(2πΔf
·
t)，其中，E
L
、E
S
分别为本地场和信号场的电场强度，Δf为本地场与信号场的频率差，t为时间，因此在本地场的强度固定的情况下，根据差频信号P的大小可直接推出待测电场强度的大小，实现信号场强度的测量，任何频率的电场都会引起nD
5/2
里德堡态能级产生AC Stark频移，因此待测电场的频率为任意连续频率。
[0014]作为上述方案的进一步改进，所述第一步中的852nm的二分之波片和852nm的偏振分光棱镜构成一个探测光功率控制器。
[0015]作为上述方案的进一步改进，所述第一步中的852nm的偏振旋转器用来调整探测光的偏振。
[0016]作为上述方案的进一步改进，所述第二步中的510nm的二分之波片和510nm的偏振分光棱镜构成一个耦合光功率控制器。
[0017]作为上述方案的进一步改进，所述第二步中的510nm的偏振旋转器用来调整耦合光的偏振。
[0018]作为上述方案的进一步改进，所述第三步中所述第一激光光源和第二激光光源入射到铯原子样品池的激光具有相同的极化方向。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]与现有技术相比，本专利技术提供的一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置和方法，利用里德堡原子外电场极其敏感的特性，以及利用本地场可进一步增加里德堡能级对外电场敏感的特点，实现任意频率电场的测量，本专利技术直接基于
里德堡原子能级的AC stark效应进行测量，由于任意频率的电场都会产生里德堡能级的AC stark效应，因此本专利技术克服了传统电场强度测量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率电场测量装置，其特征在于：包括有电场测量仪，所述电场测量仪包括第一激光光源(2)、第二激光光源(7)、本地场(15)，沿第一激光光源(2)的激光传播方向分为两路，一路依次设置有852nm的二分之波片(3)、852nm的偏振分光棱镜(4)、852nm的偏振旋转器(5)、铯原子样品池(1)；另一路依次设置有高反射率反射镜(6)、第二光电探测器(13)；沿第二激光光源(7)的激光传播方向依次设置有510nm的二分之波片(8)、510nm的偏振分光棱镜(9)、852nm高透和510nm高反的双色镜(10)，852nm高透和510nm高反的双色镜(10)的两侧分别设置有510nm的偏振旋转器(11)、第一光电探测器(12)；第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)与减法器(14)连接；本地场(15)用以对电磁感应透明光谱发生作用，使电磁感应透明光谱发生AC Stark频移和分裂。2.利用权利要求1中所述一种基于里德堡原子AC Stark效应的连续频率微波电场强度测量装置的测量方法，其特征在于：包括有如下步骤：第一步：第一激光光源(2)发出波长为852nm的激光作为探测光，探测光的频率锁定在铯原子的基态6S
1/2
(F＝4)到第一激发态6P
3/2
(F'＝5)的共振跃迁线上，探测光经过852nm的二分之波片(3)和852nm的偏振分光棱镜(4)分成两束，一束经过852nm的偏振旋转器(5)从铯原子样品池(1)的一端入射到装有铯原子蒸气的玻璃铯泡的铯原子样品池(1)中，透过铯原子样品池(1)的探测光，通过510nm的偏振旋转器(11)和852nm高透的双色镜(10)入射到第一光电探测器(12)上进行探测；另一束作为参考光，经过高反射率反射镜(6)入射到第二光电探测器(13)上进行探测；第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)输出的信号经过减法器(14)相减，去除激光的功率波对实验的影响；第二步：第二激光光源(7)发出波长510nm的激光作为耦合光，耦合光耦合铯原子的第一激发态6P
3/2
(F'＝5)与里德堡能级nD
5/2
，耦合光经过510nm的二分之波片(8)、510nm的偏振分光棱镜(9)、852nm高透和510nm高反的双色镜(10)和510nm的偏振旋转器(11)从铯原子样品池(1)的另一端入射进铯原子样品池(1)中，与探测光在铯原子样品池(1)中反向共线传播；第三步：所述第一激光光源(2)和第二激光光源(7)发出的两种激光频率应满足铯原子nD
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件；在第一激发态6P
3/2
(F'＝5)到里德堡能级nD
5/2
的共振跃迁线的附近扫描波长510nm耦合光的频率，可使第一光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦月春，赵建明，白景旭，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：