[发明专利]基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测方法及装置

权利要求书

1.一种基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）将两束激光相对且共线入射至一个内部充有碱金属原子蒸汽的样品池中，其中第一束激光的波长与样品池中碱金属原子蒸汽的基态至第一激发态的跃迁共振；第二束激光的波长与碱金属原子蒸汽的第一激发态至里德堡态的跃迁共振；（b）采集经样品池出射后的第二束激光的信号并将其转化为相应的电信号；（c）对采集到的电信号进行分析，当样品池所在位置没有电场时，采集到的是第二束激光单峰吸收光谱的信号；当样品池所在位置存在电场时，电场将会导致碱金属原子的里德堡能级产生斯塔克效应，即里德堡能级发生分裂，能级的分裂与外界电场强度的关系可以表示为                                                ，式中ΔW 为里德堡能级发生分裂后的相邻能级之间的能量大小，α为碱金属原子的里德堡能级的极化率，E为样品池所在位置电场的强度；对第二束激光进行扫描，就可以在采集到的信号上观察到具有斯塔克分裂现象的多峰吸收光谱，根据吸收光谱可以获知ΔW，结合α就可以求出电场E的强度。

2.一种基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括通过光纤顺次连接的第二激光发射装置（2）、内部充有碱金属原子蒸汽且侧壁上均设有光纤耦合头（10）的样品池（4）、设有两个出射端的光纤耦合/分束器（5）以及第一激光发射装置（1）；第一激光发射装置（1）发射激光的波长与样品池（4）中碱金属原子蒸汽的基态至第一激发态的跃迁共振；第二激光发射装置（2）发射激光的波长与碱金属原子蒸汽的第一激发态至里德堡态的跃迁共振；所述样品池（4）的两个光纤耦合头（10）分别位于样品池（4）两个相对的侧壁上且共轴；所述连接第二激光发射装置（2）的光纤的另一端与样品池（4）上的一个光纤耦合头（10）相连接；光纤耦合/分束器（5）的一个出射端通过光纤与样品池（4）另一个光纤耦合头（10）相连接，光纤耦合/分束器（5）的入射端通过光纤与第一激光发射装置（1）相连接；光纤耦合/分束器（5）的另一个出射端通过光纤连接有一个光电探测器（8），光电探测器（8）的信号输出端连接有一个计算机系统（9）。

3.如权利要求2所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述第二激光发射装置（2）与样品池（4）之间还连接有一个光纤调制器（3）；所述光纤调制器（3）的信号输入端连接有一个参考信号源（6）；所述参考信号源（6）的一个信号输出端与光纤调制器（3）的信号输入端相连接；光电探测器（8）与计算机系统（9）之间还连接有一个锁相放大器（7），所述锁相放大器（7）具有两个信号输入端，一个信号输入端与光电探测器（8）的信号输出端相连接，锁相放大器（7）的另一个信号输入端与参考信号源（6）的另一个信号输出端相连接；锁相放大器（7）的信号输出端与计算机系统（9）相连接。

4.如权利要求2或3所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述样品池（4）是采用石英玻璃制成的，样品池（4）外部呈长方体结构，样品池（4）安装有光纤耦合头（10）的两个侧壁内壁之间的间距为10~12微米。

5.如权利要求2或3所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述样品池（4）中充有铯原子蒸汽；所述第一激光发射装置（1）发射激光的中心波长为852.36nm；第二激光发射装置（2）发射激光的中心波长为510nm。

6.如权利要求4所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述样品池（4）中充有铯原子蒸汽；所述第一激光发射装置（1）发射激光的中心波长为852.36nm；第二激光发射装置（2）发射激光的中心波长为510nm。

7.如权利要求4所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述样品池（4）装有光纤耦合头（10）的侧壁的高度和宽度均为4~6cm。

8.如权利要求3所述的基于里德堡原子斯塔克效应的电场探测装置，其特征在于，所述锁相放大器（7）采用数字锁相放大器。