一种手持式微波电场测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种手持式微波电场测量系统，可实现微波电场的移动式精密测量，此系统包括：第一激光器、手持式测量探头、第二激光器、双色镜、光电探测器、高速示波器、高频信源和标准增益喇叭天线，其中手持式测量探头包括：第一光纤准直器、碱金属原子气室、第一直角反射棱镜、第二直角反射棱镜和第二光纤准直器。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术实现了基于里德堡原子的便携式微波电场测量探头，利用非金属材料实现了一种量子传感器，完成了对弱微波电场的精密测量。通过连接光纤的测量探头来实现移动式测量，摆脱了传统实验平台的限制，适用于各种复杂环境，为基于里德堡原子的量子传感器的发展提供了思路，具有极大的应用价值。具有极大的应用价值。具有极大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种手持式微波电场测量系统


[0001]本专利技术涉及微波电场测量领域，具体涉及一种手持式微波电场测量系统。

技术介绍

[0002]精确测量微波电场对于通信、雷达和医疗等方面都有重要意义，目前普遍使用偶极天线进行微波电场探测，但由于其存在热噪声、探测频段受限于天线尺寸等缺点，基于里德堡原子的量子传感器被提出来。基于里德堡原子的量子传感器可实现DC到太赫兹频率的宽带测量，并且测量结果可溯源至基本物理常数，已经被广泛应用于微波电场的亚波长成像[Applied Physics Letters,104(24):244102(2014)]、原子传感器的太赫兹测量[Physical Review A,100(6):063427(2019)]、基于原子微波电场传感的通信[Applied Physics Express 12(12):126002.1
‑
4(2019)]等方面。
[0003]基于里德堡原子的微波电场探测有着众多优势，但目前实验大部分是基于传统光路设计，并未考虑实验系统的可搬运性。基于光学平台的传统光路空间体积较大，调节复杂，不能做到可搬运式测量，难以实现基于里德堡原子的量子传感器的实际应用，并且实验平台的金属也会影响微波电场的实际空间分布。因此，如何设计一种便携式、精密测量微波电场的系统，已经成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种手持式微波电场测量系统，可移动测量空间中微波电场强度，测量原理基于电磁诱导透明(EIT)现象和Autler
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Townes分裂现象。在本专利技术中使用阶梯型能级结构来实现EIT现象，当外部微波电场应用于电磁诱导透明时，可观察到Autler
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Townes分裂现象[Physical Review A100,703
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722(1955)]，分裂频率差与外部微波电场强度成比例关系，从而实现对外部微波电场强度进行测量。
[0005]实现本专利技术目的具体技术方案如下：
[0006]一种手持式微波电场测量系统，包括第一激光器、手持式测量探头、双色镜、第二激光器、光电探测器、高速示波器、标准增益喇叭天线和高频信源；
[0007]所述第一激光器为外腔半导体激光器，产生中心波长为780nm的探测光，耦合进入手持式测量探头；
[0008]所述第二激光器为外腔半导体激光器，产生中心波长为480nm的泵浦光，经双色镜耦合进入手持式测量探头；
[0009]所述手持式测量探头为非金属装置，通过单模保偏光纤分别耦合第一激光器产生的探测光和第二激光器产生的泵浦光，两束光在探头内部对向传播，利用Autler
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Townes分裂现象实现对外部微波电场的探测；
[0010]所述双色镜，置于第二激光器之前，将第二激光器产生的泵浦光反射进入手持式测量探头，并且将手持式测量探头出来的探测光与泵浦光进行分离；
[0011]所述光电探测器，置于双色镜之后，用于探测由双色镜分离出来的探测光，将光信
号转换为电信号；
[0012]所述高速示波器，与光电探测器相连，用于得出Autler
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Townes分裂中双峰的频率差，计算得到外部微波电场的强度；
[0013]所述标准增益喇叭天线和高频信源相连，用于生成外部线偏振微波电场，作用于手持式测量探头；
[0014]所述手持式测量探头包括：第一光纤准直器、碱金属原子气室、第一直角反射棱镜、第二直角反射棱镜和第二光纤准直器；
[0015]所述第一光纤准直器与第二光纤准直器结构相同，均为非金属结构，二者平行、一同置于碱金属原子气室一侧，用于耦合并准直第一激光器和第二激光器产生的探测光和泵浦光，并且第二光纤准直器耦合从第一光纤准直器出射的探测光；
[0016]所述碱金属原子气室为圆柱体原子气室，气室中的碱金属原子为测量系统提供原子介质；
[0017]所述第一直角反射棱镜与第二直角反射棱镜一同置于碱金属原子气室另一侧，为宽带镀膜，用于反射探测光和泵浦光；
[0018]所述第一光纤准直器包括：单模保偏光纤、玻璃插芯、玻璃套管、渐变折射率透镜；
[0019]所述单模保偏光纤一端为FC
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APC接头来耦合空间光，另一端为玻璃插芯，玻璃插芯端面有8
°
面角，面角通过偏离法线方向反射入射光，使回波损耗最大化；
[0020]所述玻璃套管为圆柱体空心套管，内径与玻璃插芯和渐变折射率透镜的外径相同，用来固定玻璃插芯和渐变折射率透镜；
[0021]所述渐变折射率透镜一侧端面为平面，另一侧端面有8
°
面角与玻璃插芯的8
°
面角契合，用来准直从单模保偏光纤出射的探测光和泵浦光。
[0022]所述外部微波电场强度的计算公式为：其中为约化普朗克常数，Δf为Autler
‑
Townes分裂的双峰间频率差值，μ为外部微波耦合的里德堡能级间跃迁偶极矩。
[0023]相比于传统光路，本专利技术的优点在于：
[0024]1.本专利技术手持式测量探头部分采用非金属材料设计，不影响待测微波电场的实际空间分布，提高了测量精度；
[0025]2.本专利技术从激光器到测量探头都可以自己制作，制作成本低，使用便捷，提高了测量系统的实用性；
[0026]3.本专利技术使用光纤进行光的传输，实现了微波电场的可移动式测量，是一种便捷的原子传感器，具有很高的应用前景。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的结构示意图；
[0028]图2为本专利技术手持式测量探头中的光纤准直器结构示意图；
[0029]图3为本专利技术实施例所测量的高频信源输出功率与Autler
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Townes分裂的关系示意图；
[0030]图4为本专利技术实施例所测量的高频信源输出功率与探测的微波电场强度的关系示意图。
具体实施方式
[0031]本专利技术实现了一种手持式微波电场测量系统，下面将通过具体实施例与附图相结合的形式来说明，所描述的实施方式只是本专利技术的部分实施方式，亦可以通过其他不同的具体实例来验证本专利技术，本说明书中的各项细节亦可基于不同应用情景，在不背离本专利技术的精神上进行修改。
[0032]如图1所示，第一激光器1是中心波长为780nm的littrow型外腔半导体激光器，使用激光二极管型号为Sharp GH0781RA2C，激光器输出功率50mW，将30μW的光耦合进入手持式测量探头2作为探测光。通过第一光纤准直器21将探测光的出射光进行准直，探测光经过碱金属原子气室22，依次被第一直角反射棱镜23和第二直角反射棱镜24反射，然后耦合进入第二光纤准直器25，透过双色镜3，后被光电探测器5探测其光强信号，通过高速示波器6采集并存储电学信号。
[0033]由于系统中的光纤要传输探测光(780nm)和泵浦光(480nm)，所以选择宽带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手持式微波电场测量系统，其特征在于，包括第一激光器(1)、手持式测量探头(2)、双色镜(3)、第二激光器(4)、光电探测器(5)、高速示波器(6)、标准增益喇叭天线(7)和高频信源(8)，其中：所述第一激光器(1)为外腔半导体激光器，产生中心波长为780nm的探测光，耦合进入手持式测量探头(2)；所述第二激光器(4)为外腔半导体激光器，产生中心波长为480nm的泵浦光，经双色镜(3)耦合进入手持式测量探头(2)；所述手持式测量探头(2)为非金属装置，通过单模保偏光纤分别耦合第一激光器(1)产生的探测光和第二激光器(4)产生的泵浦光，两束光在探头内部对向传播，利用Autler
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Townes分裂现象实现对外部微波电场的探测；所述双色镜(3)，置于第二激光器(4)之前，将第二激光器(4)产生的泵浦光反射进入手持式测量探头(2)，并且将手持式测量探头(2)出来的探测光与泵浦光进行分离；所述光电探测器(5)，置于双色镜(3)之后，用于探测由双色镜(3)分离出来的探测光，将光信号转换为电信号；所述高速示波器(6)，与光电探测器(5)相连，用于得出Autler
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Townes分裂中双峰的频率差，计算得到外部微波电场的强度；所述标准增益喇叭天线(7)和高频信源(8)相连，用于生成外部线偏振微波电场，作用于手持式测量探头(2)；所述手持式测量探头(2)包括：第一光纤准直器(21)、碱金属原子气室(22)、第一直角反射棱镜(23)、第二直角反射棱...

【专利技术属性】
技术研发人员：武海斌，左小亮，李丹阳，李庆斌，盛继腾，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：