[发明专利]利用双暗态系统测量微波电场的方法

说明书

本发明公开了一种利用双暗态系统测量微波电场的方法，由外腔半导体激光器提供激光通过二向色镜分成探测光和耦合光，经过半波片和偏振分束器同向进入铷原子汽室；两个半波片分别调节探测光场和耦合光场的入射光强，使得控制场探测场；将探测光锁定在铷里德堡原子5S_1/2(F＝1)→5P_3/2跃迁线上，将控制光锁定在铷里德堡态原子5S_1/2(F＝2)→5P_3/2跃迁线上；倍频激光器提供耦合光，调节耦合光在能级5P_3/2→53D_5/2共振频率耦合；由微波模拟信号发生器提供功率可调的微波信号，耦合里德堡原子态矢53D_5/2→54P_3/2之间的跃迁，导致里德堡原子的EIT的透射峰发生分裂；用光电探测器检测探测光的吸收特性，由透射峰线宽间距表征微波信号的电场强度。该方法能极大地压窄透射峰线宽提高探测精度和灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种微波电场测量方法。

背景技术

近年来，基于里德堡原子的电场测量是当前微波电场精密测量领域的研究热点问题。由于具有大的极化率、低的电离阈值和大的电偶极距，对外部电磁场十分敏感，可以用来测量电场强度特别是微波电场强度。2012年，Sedlacek等人在铷泡中使用原子共振法进行电场测量，理论上说，用这方法可以测量小于100nm/cm的微波电场，而实验中测量最小电场强度为8μV/cm。2016年，Simons等人在里德堡原子中利用频率失谐法来提高探测电场的灵敏度。用频率失谐法测量电场的敏感性是共振AT分裂法的2倍。以上测量微波电场大都采用的是四能级系统，采用的原子跃迁路径是5S_1/2(F＝1)→5P_3/2→53D_5/2→54P_3/2，在没有微波场的作用下，原子跃迁路径为5S_1/2→5P_3/2→53D_5/2，这是一种级联型电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency简称EIT)单暗态系统，加入微波场后，耦合态矢53D_5/2→54P_3/2，会使透射峰发生分裂，利用透射峰之间的间距与微波场强度之间的线性关系来实现对微波电场的测量。以上利用EIT的微波电场探测方案是基于单暗态系统，干涉效应压窄透射峰线宽效果有限，导致测量精度和灵敏度有限。

中国专利申请CN104880614A公开了一种基于冷里德堡原子干涉仪的微波电场强度计及其测量方法，微波电场强度计包括：真空系统，用于冷却囚禁原子以产生冷原子团，该冷原子团用于制备里德堡态以及产生干涉效应，使相干原子态产生相位差；激光器，用于产生耦合光和探测光，将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态；光电探测器，用于探测两束冷原子团因相干性而产生的干涉条纹；所述微波源，用于产生微波电场。微波电场强度计在相干分束与合束之间的演化过程中，让处在里德堡态的原子团与待测微波电场作用，产生交流斯塔克效应，将待测微波电场强度与交流斯塔克产生的相位关联起来，从而实现微波电场的精密测量。该专利申请的原理是利用微波场引起的干涉条纹位移与无微波场的条纹位移差表征微波电强度，能级结构为单电磁诱导透明(EIT)系统，其利用冷原子里德堡态相干时间长提高探测精度，但是需要复杂的冷却装置结构，且测量精度有限。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出了利用双暗态系统测量微波电场的方案。通过另一控制光场耦合辅助跃迁5S_1/2(F＝2)→5P_3/2)，形成双暗态系统，暗态间相互作用极大地改变里德堡原子的吸收和色散特性，可极大的压窄透射峰线宽提高探测精度。该方法可以在室温下操作，测量精度和可调性均优于以上EIT单暗态方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用双暗态系统测量微波电场的方法，包括以下实验步骤：