[发明专利]基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置。本发明的目的是解决现有电场测量方法误差大的技术问题。本发明采用的技术方案是：将装有一对平行电极板的玻璃铯泡作为铯原子样品池，铯原子在两个激光光源发出的探测光和耦合光的作用下形成电磁感应透明，电磁感应透明光谱在射频电场作用下发生Stark频移和分裂，并产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，在Stark光谱中形成多个能级交叉点，每个能级交叉点作为一个校准电场的基准点，每一个基准点对应一个精确的电场值，然后利用确定电场值对射频电场进行校准。本发明的装置由铯原子样品池、两个激光光源、射频源、高反射率反射镜、双色镜和光电探测器组成。

技术领域

本发明涉及射频电场的校准技术，尤其涉及一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置。

背景技术

射频电场的精密测量在基础科学研究和军事科技等领域具有重大的意义。要实现射频电场的精确测量，需要有精确的参考标准。传统的射频电场测量仪器，比如场强仪和频谱仪等，是将其放在一个已知场强的电场里进行校准，但是这个已知电场的场强又是被一个校准过的探头测量得到的，这样对电场的校准就进入了一个循环过程，而且被校准的探头一般为金属制造，金属探头会对待测电场产生干扰，使得测量的电场误差较大。

发明内容

本发明的目的是解决现有的射频电场校准方法和装置在射频电场校准过程中存在的测量误差大的技术问题，提供一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置。通过测量射频电场调制的里德堡原子电磁感应透明光谱，选择谱线中的能级交叉点作为校准电场的基准点。所述方法是基于原子的能级结构进行的自校准，对待测电场没有干扰，不依赖于探头的物理尺寸。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法，包括如下步骤：

(a)将装有一对平行电极板的玻璃铯泡作为铯原子样品池；

(b)第一激光光源发出波长852nm的激光作为探测光，将探测光的频率锁定在铯原子的基态|g>和第一激发态|e>两个能级的共振位置，探测光经过高反射率反射镜从铯原子样品池的一端入射到铯原子样品池中，作用于铯原子的基态|g>和第一激发态|e>，透过铯原子样品池的探测光通过双色镜入射到光电探测器上进行探测；第二激光光源发出波长510nm的激光作为耦合光，耦合光通过双色镜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的两平行电极板间反向重叠，耦合光耦合铯原子的第一激发态|e>与里德堡nD_5/2能级|r>；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nD_5/2态里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件；

(c)扫描510nm耦合光的频率，使光电探测器获得852nm探测光的无多普勒背景的电磁感应透明光谱；

(d)射频源在电极板的接线端加一个弱的射频电场，使(c)步骤中所得的电磁感应透明光谱发生Stark频移和分裂，同时产生由射频电场调制里德堡能级的偶级边带，在Stark光谱中，磁量子数m_j＝5/2的Stark光谱与磁量子数m_j＝1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉点，每个能级交叉点作为一个校准射频电场的基准点，每一个基准点对应一个精确的射频电场值；

(e)利用确定的射频电场值对电场测量仪器进行校准，然后用校对过的电场测量仪器对射频电场进行测量，从而实现射频电场的校准。

进一步地，所述射频源的频率范围为1MHz-1GHz。